DE102019219633A1

DE102019219633A1 - Verfahren zum Kalibrieren und Betreiben einer Pumpe

Info

Publication number: DE102019219633A1
Application number: DE102019219633.0A
Authority: DE
Inventors: Horst KLEINKNECHT; Kathrin Schaefer; Arno Matzner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-12-14
Filing date: 2019-12-14
Publication date: 2021-06-17
Also published as: CN112983601A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren einer Pumpe mit einem Pumpenraum, zwei Ventilen für den Pumpenraum, von denen wenigstens eines aktiv steuerbar ist, und mit einem Elektromotor, mit dem ein den Pumpenraum begrenzendes Element hin und her bewegbar ist, wobei der Pumpenraum mit einem komprimierbaren Medium druckbeaufschlagt wird, wobei mit dem Elektromotor wenigstes eine Umdrehung eines Läufers vollführt und verschiedene Winkelpositionen (φ_i) des Läufers erfasst werden, wobei während der wenigstens einen Umdrehung des Läufers ein Verlauf (V₃) eines Druckes (p) des Mediums im Pumpenraum erfasst wird, und wobei anhand des Verlaufs (V₃) des Drucks eine Korrelation zwischen einer Position (h) des den Pumpenraum begrenzenden Elements und den Winkelpositionen (φ_i) des Läufers hergestellt wird, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Pumpe.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren einer Pumpe z.B. eines SCR-Versorgungssystems, ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Pumpe sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
Stand der Technik
Bei einer Nachbehandlung von Abgasen in Kraftfahrzeugen kann, insbesondere zur Reduktion von Stickoxiden (NO_x), 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 ist meistens ein Rücklauf mit dem Reduktionsmitteltank verbunden, über den überschüssige Harnstoff-Wasser-Lösung zurückgeführt werden kann. Eine Blende oder Drossel im Rücklauf kann den Rückfluss steuern.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Kalibrieren einer Pumpe, ein Verfahren zum Betreiben einer Pumpe sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Die Erfindung beschäftigt sich mit Pumpen, die einen Pumpenraum mit zwei Ventilen für den Pumpenraum, von denen wenigstens eines, zweckmäßigerweise aber beide, aktiv steuerbar sind, und einen Elektromotor, mit dem eine den Pumpenraum begrenzendes Element hin- und her- (bzw. auf- und ab-) bewegbar ist, aufweisen. Bei diesem Element kann es sich vorzugsweise um eine Membran handeln, die z.B. über einen Pleuel mit einem an einem Läufer des Elektromotors angebrachten Exzenters gekoppelt ist. Hierbei handelt es sich dann um eine sog. Membranpumpe wie sich 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.
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, beispielsweise durch einen Magnetschalter bzw. ein mittels Elektromagnet geschaltetes Ventil. 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 hinaus gedrückt 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. 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.
Um jedoch einen möglichst optimalen Betrieb der Pumpe zu ermöglichen, sollte eine aktuelle Position des den Pumpenraum begrenzenden Elements immer möglichst genau bekannt sein, um basierend darauf die Ventile entsprechend ansteuern zu können. Damit kann dann ein Ventil z.B. genau bei Erreichen des maximalen Volumens des Pumpenraums oder aber auch gezielt eine bestimmte Zeit später geöffnet oder geschlossen werden.
Hier setzt nun die Erfindung an und schlägt vor, zunächst den Pumpenraum mit einem komprimierbaren Medium druckzubeaufschlagen. Als Medium kommt dabei insbesondere ein Gas oder Gasgemisch in Betracht. Dann wird mit dem Elektromotor wenigstes eine Umdrehung des Läufers (denkbar sind natürlich auch zwei oder drei oder noch mehr Umdrehungen) vollführt und es werden verschiedene Winkelpositionen des Läufers erfasst. Dies erfolgt bevorzugt mittels eines oder mehreren magnetsensitiven Elementen, z.B. Hallsensoren im Elektromotor, welcher dieser beispielsweise ohnehin zur Steuerung der Kommutierung aufweisen kann. Denkbar ist aber auch die Verwendung eines Inkrementalgebers. Die konkrete Art hängt dabei letztlich auch von der Art des verwendeten Elektromotors ab. Für nähere Erläuterungen und Beispiele sei an dieser Stelle auch auf die Figurenbeschreibung verwiesen.
Während der wenigstens einen Umdrehung des Läufers wird ein Verlauf eines Drucks des Mediums im Pumpenraum erfasst. Hierzu kann ein beispielsweise ohnehin an der Pumpe schon vorhandener Drucksensor (dies ist z.B. bei Pumpen für SCR-Versorgungssysteme in der Regel der Fall) verwendet werden. Denkbar ist aber natürlich auch die Verwendung eines zusätzlichen bzw. separaten Drucksensors bzw. Druckmessgeräts. Es versteht sich, dass der Pumpenraum, ggf. mit daran angebundenen Leitungen, dabei abgeschlossen sein sollte, damit Druckänderungen durch die Bewegung des den Pumpenraum begrenzenden Elements mit dem Drucksensor erfassbar sind.
Anhand des Verlaufs des Drucks wird dann eine Korrelation zwischen einer oder ggf. mehreren Positionen des den Pumpenraum begrenzenden Elements und den Winkelpositionen des Läufers hergestellt. Diese Korrelation kann auf einer zur Ansteuerung der Pumpe vorgesehenen Recheneinheit hinterlegt werden. Auf diese Weise kann, z.B. bei einer initialen Montage der Pumpe in einem Fahrzeug oder in einer separaten Fördereinheit, ein entsprechender Zusammenhang zwischen Winkelposition des Läufers und Position des den Pumpenraum begrenzenden Elements hergestellt und für die gezielte Ansteuerung der Ventile verwendet werden. Insbesondere eignet sich hierfür der Motorregler (Logik) der Pumpe selbst, d.h. z.B. ein Mikrocontroller o.ä. Verfügt die Pumpe über eine eigene Logik, insbesondere zum Steuern des Elektromotors, kann die ermittelte Korrelation in einer Speichereinheit der Pumpenlogik, z.B. EEPROM, Flash usw., hinterlegt werden. Damit kann insbesondere bei einer Reparatur die komplette Pumpeneinheit getauscht werden, da alle Daten für eben diese Einheit auf der Einheit direkt gespeichert sind. Das übergeordnete Steuergerät schickt nur noch Anforderungen wie Drehzahl, ggf. Öffnungs- und Schließwinkel, oder Wirkungsgrad.
Zweckmäßig ist es dabei, wenn beim Herstellen der Korrelation eine Latenzzeit beim Erfassen des Druckes berücksichtigt wird, wie sie z.B. aufgrund von Signallaufzeiten und/oder Verzögerungen bei der Ausbreitung von Druckänderungen auftreten kann.
Besonders bevorzugt wird weiterhin eine einer vorbestimmten Position des den Pumpenraum begrenzenden Elements entsprechende zusätzliche Winkelposition des Läufers erfasst und bei der Korrelation berücksichtigt. Damit kann besonders einfach und schnell eine Synchronisation von Verlauf der Winkelpositionen und Verlauf des Drucks erfolgen. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn diese zusätzliche Winkelposition bei den verschiedenen erfassten Winkelpositionen des Läufers nicht enthalten ist, z.B. weil hierfür keine Winkelpositionssensorik existiert.
Die zusätzliche Winkelposition wird vorzugsweise basierend auf einem der vorbestimmten Position des den Pumpenraum begrenzenden Elements entsprechenden Stromfluss in dem Elektromotor erfasst, wobei die vorbestimmte Position des den Pumpenraum begrenzenden Elements einem minimalen Volumen des Pumpenraums entspricht. Letzteres ist in der Regel bei einem unteren Totpunkt der Fall. Dieses Vorgehen beruht darauf, dass für eine Kompression des Mediums in der Regel ein etwas höheres Drehmoment des Elektromotors nötig ist, was sich durch einen erhöhten Stromfluss bemerkbar macht.
Alternativ oder zusätzlich ist es auch bevorzugt, wenn die zusätzliche Winkelposition durch Auslaufenlassen des Elektromotors während der Druckbeaufschlagung des Pumpenraums erreicht wird, wobei die vorbestimmte Position des den Pumpenraum begrenzenden Elements einem maximalen Volumen des Pumpenraums entspricht. Letzteres ist in der Regel bei einem oberen Totpunkt der Fall. Dieses Vorgehen beruht darauf, dass sich durch das unter Druck stehende Medium im Pumpenraum das diesen begrenzende Element so bewegen wird, dass das Volumen des Pumpenraums maximal wird. Ohne externes Drehmoment wird der Läufer dieser Bewegung folgen.
Die auf diese Weise hergestellte Korrelation zwischen der Position des den Pumpenraum begrenzenden Elements und den Winkelpositionen des Läufers ermöglicht, wie schon erwähnt, eine gezielte Ansteuerung der Ventile der Pumpe. In diesem Sinne ist ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Pumpe, wie sie vorstehend erläutert wurde. Dabei wird während eines Betriebs der Pumpe das wenigstens eine aktiv ansteuerbare Ventil in Abhängigkeit von einer Position des den Pumpenraum begrenzenden Elements derart angesteuert wird, dass die Pumpe mit einem geringeren als dem maximal möglichen Wirkungsgrad betrieben wird.
Durch gezielte Variation von Öffnungs- und Schließzeiten der Ventile kann nämlich der Wirkungsgrad der Pumpe variiert werden. Dies hat den Vorteil, dass die Pumpe als Ganzes (Ventil saugseitig, Membran, Ventil druckseitig) eine sehr gute Dynamik besitzt. So kann die Pumpe immer mit einem nicht optimalen Wirkungsgrad betrieben werden (Ventil saugseitig und Ventil druckseitig öffnen bzw. schließen nicht an den optimalen Stellen in Bezug auf den Betriebsdruck). Wird dann von z.B. einem übergeordneten Steuersystem ein Mengensprung angefordert (Erhöhung oder ggf. auch Verringerung der zu fördernden Menge), so kann dies im ersten Moment durch Veränderung des Wirkungsgrades des Pumpensystems vorgenommen werden. Die Ventilsteuerung reagiert in dieser Hinsicht in aller Regel deutlich schneller, als der Elektromotor der Pumpe beschleunigen bzw. abbremsen könnte. Somit kann eine viel höhere und präzisere dynamische Regelung des Systems realisiert werden. Der Elektromotor kann auch (relativ) träge ausgelegt werden.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs wie ein Motorsteuergerät oder ein Abgasnachbehandlungssteuergerät oder ein Pumpensteuergerät, z.B. eine Steuer- und/oder Regeleinheit des Elektromotors der Pumpe, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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 von Ausführungsbeispielen 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 schematisch einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.
4 zeigt schematisch einen Elektromotor für eine Pumpe, mit dem ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist.

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 einen 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 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 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. 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, und dort insbesondere mit der Pumpe 210, und mit dem Dosiermodul 130 verbunden, um diese ansteuern zu können.
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, detailliertere 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, das ebenso mit der Membran verbunden ist. Auf diese Weise kann durch eine Rotationsbewegung des Läufers 245 eine Auf- und Abbewegung der Membran 225 erreicht werden.
Die beiden Ventile 221 und 222 weisen hier beispielhaft Elektromagneten 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 schießen.
In 3 ist schematisch ein Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Hierzu sind in drei übereinander gezeigten Diagrammen jeweils ein Hub h der Pumpe (z.B. Membranhub) als eine Position des den Pumpenraum begrenzenden Elements über der Zeit t aufgetragen. Im unteren Diagramm ist auch ein Druck p eines Mediums im Pumpenraum über der Zeit t aufgetragen. Der Zeit t entspricht - bei konstanter Drehzahl - der Winkel bzw. Drehwinkel φ des Läufers (vgl. hierzu auch 2). Der Hub h variiert dabei zwischen einem oberen Totpunkt OT und einem unteren Totpunkt UT, wobei der Pumpenraum beim OT sein maximales Volumen aufweist, beim UT hingegen weist er sein minimales Volumen auf.
Der Verlauf V₁ im oberen Diagramm zeigt nun eine Förderung von Fluid mittels der Pumpe, wobei mit den Punkten A, B, C und D jeweils Positionen des Hubs und damit des aktuellen Volumens des Pumpenraums, zu denen eine Aktion (Öffnen oder Schließen) eines der Ventile erfolgt bzw. erfolgen soll, gezeigt sind.
Zum besseren Verständnis sollen die zwei Ventile nachfolgend als Einlassventil und Auslassventil bezeichnet werden, wobei durch das Einlassventil Fluid in den Pumpenraum einströmt, durch das Auslassventil wieder hinaus. Eine reguläre Förderung und eine Rückförderung funktionieren dabei auf die gleiche Weise, wobei bei der regulären Förderung das Einlassventil auf Seiten des Fluid-Tanks und das Auslassventil auf Seiten des Dosiermoduls zu verorten ist. Bei einer Rückförderung ist dies umgekehrt.
Beim Punkt A ist der Pumpenraum (mit zumindest im Wesentlichen maximalem Volumen) mit Fluid gefüllt. Das Auslassventil ist zunächst noch geschlossen, wird am Punk A aber geöffnet. Das Einlassventil ist und bleibt geschlossen. Damit wird Fluid aus dem Pumpenraum hinaus gefördert.
Am Punkt B ist das Fluid dann zumindest im Wesentlichen vollständig (eine vollständige Entleerung wird in der Praxis nicht möglich sein) aus dem Pumpenraum verdrängt. Das Auslassventil wird dann geschlossen. Unmittelbar danach oder allenfalls sehr kurze Zeit später wird beim Punkt C das zunächst geschlossene Einlassventil geöffnet, das Auslassventil bleibt geschlossen.
Damit wird mit dem nachfolgenden Hub in Richtung OT Fluid in den Pumpenraum eingesaugt. Bei Erreichen des OT wird bei Punkt D das Einlassventil geschlossen, der Pumpenraum ist mit dem Fluid gefüllt. Anschließend wird der Vorgang ab Punkt A wiederholt.
Um nun die Pumpe mit einem geringeren Wirkungsgrad zu betreiben, wie auch im Rahmen der Erfindung vorgeschlagen, kann das Auslassventil nicht schon bei bzw. kurz nach OT geöffnet werden, sondern erst etwas später, wie mit dem Punkt A' gezeigt. Auf diese Weise wird weniger Fluid gefördert, jedoch können durch zeitliches Vorziehen des Öffnens des Auslassventils (z.B. auf Punkt A) die geförderte Menge und damit der Wirkungsgrad schnell erhöht werden.
Eine andere bevorzugte Möglichkeit ist z.B., das Auslassventil zwar bei bzw. kurz nach OT zu öffnen, aber schon vor Erreichen des UT zu schließen, also den Punkt B vorzuziehen auf beispielsweise den Punkt B', so dass nicht das gesamte Fluid aus dem Pumpenraum ausgetrieben werden kann. Ebenso können entsprechende Variationen mit dem Einlassventil vorgenommen werden, z.B. das Einlassventil später zu öffnen oder früher zu schließen, so dass bereits weniger Fluid in den Pumpenraum eingesaugt wird.
Für diese gezielte Ansteuerung sollte jedoch eine Korrelation zwischen einer Position bzw. einem Hub der Membran und den Winkelpositionen des Läufers bekannt sein. Das Herstellen dieser Korrelation wird nachfolgend in verschiedenen bevorzugten Varianten beschrieben.
Nach einer Montage der Pumpe oder der kompletten Fördereinheit wird das gesamte System (also insbesondere die Fördereinheit mit ggf. nötigen Recheneinheiten) kalibriert. Dies kann innerhalb der Fördereinheit erfolgen oder auch als Pumpenmoduleinzelteil. Hierzu kann das aktive saugseitige Ventil geschlossen werden, das auslassseitige Ventil hingegen geöffnet werden. Auslassseitig wird das Pumpenmodul bzw. der Pumpenraum mit Druckluft oder einem anderen komprimierbaren Gas oder Gasgemisch beaufschlagt. Druckseitig wird ein Drucksensor angebracht, wie z.B. in 1 gezeigt. Es ist aber auch möglich, einen sich in der verbauten Fördereinheit befindlichen Drucksensor zur Druckmessung einzusetzen.
Vorteilhaft ist, wenn das unter Druck stehende Medium nicht zu sehr komprimierbar ist, da dies ggf. zu einem zu geringen Ausschlag des Drucksensors im Ausgangssignal führen könnte. Ist das Medium weniger komprimierbar, ergeben sich größere Ausschläge im Drucksignal. Zusätzlich sollte der eingebrachte Druck in etwa dem Systemsolldruck (bei späterem Betrieb des gesamten Systems) entsprechen, da dann die Genauigkeit des Drucksensors am größten ist und das Ausgangssignal die optimale Auslenkung aufweist.
Unter Umständen würde es auch ausreichen, wenn die Pumpe selbst durch ihren Betrieb einen entsprechenden Druck aufbaut. Dies entspräche vom Prinzip her einem Kompressor für Druckluft, der sich den nötigen Druck selbst aufbaut. Dies ist allerdings nur zweckmäßig, wenn es schon eine gewisse Grundkalibrierung zwischen Elektromotor bzw. Läufer und Pleuel bzw. Membran (z.B. bei der Montage) gibt, denn auch hier müssen das Einlass- und das Auslassventil in zeitlicher Abstimmung zu der Pleuelposition angesteuert werden.
In aller Regel wird durch den Druck im Pumpenraum der Pleuel nach oben gedrückt. Es kann allerdings vorkommen, dass sich der Pleuel exakt im unteren Totpunkt (UT) befindet, sodass er sich nicht bewegen würde. Daher wird der Elektromotor eingeschaltet bzw. in Betrieb genommen und veranlasst, dass er sich zu drehen beginnt. Es ist hierbei nicht relevant, wie oft sich der Läufer dreht, d.h. wie viele Umdrehungen er vollführt, vielmehr ist vorteilhaft, wenn der Elektromotor veranlasst wird, seine Rotation durch austaumeln zu beenden. Hierzu bremst der Elektromotor nicht aktiv die Rotationsbewegung ab, er lässt sie vielmehr auslaufen. Durch diese Aktion kommt der Läufer - aufgrund des Drucks im Pumpenraum - derart zum Stillstand, dass der Pleuel - und damit die Membran - sich im oberen Totpunkt (OT bzw. 0°) befindet. Für die Pleuelpositionserkennung könnte dieser Punkt zwar auch entfallen, es vereinfacht aber das Verfahren.
Als nächster Schritt wird der Läufer (wieder) in Rotation versetz. Vorteilhaft sind dabei mindestens zwei Umdrehungen. Die Dreh- bzw. Rotationsgeschwindigkeit sollte schnell genug sein, um eine fließende Bewegung des Läufers zu erreichen, da andernfalls der Elektromotor im Schrittbetrieb betrieben würde. Prinzipiell ist diese Möglichkeit der Schrittansteuerung aber auch denkbar. Zu schnell sollte der Läufer sich jedoch auch nicht drehen, da dann ein Schlupf bei der Ausmessung auftreten könnte.
Parallel zu der Ansteuerung des Elektromotors wird mit dem Drucksensor, der sich im druckseitigen Bereich des Systems befindet, der Druck erfasst. Der Elektromotor weist in aller Regel Hallsensoren oder andere magnetisch sensitive bzw. magnetsensitive Elemente zur Bestimmung von Kommutierungszeitpunkten auf. Diese Hallsensoren sind in aller Regel digitale Hallsensoren, die z.B. auf der Platine der Motorelektronik angebracht sind. Beispielsweise sind drei Hallsensoren vorgesehen, die entsprechend in Bezug auf den Läufer angeordnet sind.
Diese Hallsensoren detektieren das Magnetfeld des Läufers hinsichtlich Magnetfeldänderungen. Diese Magnetfeldänderungen entstehen durch Magnetfelder (Pole), die durch Rotation des Läufers an den Hallsensoren entlangstreichen. Wird ein Magnetfeld erkannt, so gibt der Hallsensor ein Signal ab. Auf diese Weise können mit drei Hallsensoren z.B. jeweils sechs Pulse pro Umdrehung und pro Hallsensor detektiert werden, was wiederum insgesamt 18 Pulsen pro Umdrehung in einem System mit drei Hallsensoren ergibt, was wiederum 36 Schritte pro Umdrehung bedeutet. Die genaue Anzahl der Schritte und der Magnetfelder ist bedingt durch die konkrete Motorenauslegung und letztlich nicht relevant für die vorliegende Erfindung.
Durch die Hallsensoren und die Kommutierung der Wicklungspakete können bei dem Elektromotor durch Interpolation Winkelgrade gebildet werden. Damit kann für die Bewegung über den Exzenter eine Sinusfunktion erstellt und abgelegt werden. Ein solcher Sinusverlauf ist im mittleren Diagramm der 3 mit dem Verlauf V₂ dargestellt. Die von den Hallsensoren ausgegebenen Signale, wie vorstehend erwähnt, entsprechen damit Winkelpositionen des Läufers, von denen eine beispielhaft mit φ_i bezeichnet ist.
Die Synchronisation bzw. Korrelation dieses mathematischen Sinusverlaufs mit dem Pleuel bzw. der Membran erfolgt nun über den Drucksensor bzw. den damit erfassten Druck bzw. Druckverlauf des Mediums im Pumpenraum. Hierzu sei auf das untere Diagramm in 3 verweisen, in dem zusätzlich zum Verlauf V₂ ein Verlauf V₃ für den Druck mit einzelnen Messwerten p_i gezeigt sind.
Die Pleuelbewegung verursacht eine Druckerhöhung bzw. eine Druckveränderung in dem Pumpenraum, da der Pleuel die Membran nach unten drückt. Der Druck in dem Pumpenraum folgt somit der Pleuelbewegung, die wiederum über den Exzenter dem Läufer folgt, welcher wiederum der Kommutierung folgt. Die Kommutierung wiederum folgt z.B. durch mittels Software vorgegebene Ansteuerung des Elektromotors, welche dem interpolierten Sinusverlauf folgt. Auf diesem Wege kennt der Elektromotor die Pleuellage und die Kommutierungs- bzw. Läuferposition.
Zu beachten ist ggf. aber noch ein Zeitversatz, wie mit t_D im unteren Diagramm in 3 zu sehen. Dabei handelt es sich z.B. um eine Latenzzeit im System. Diese Latenzzeit entsteht hauptsächlich durch den Drucksensor. Der Drucksensor hat eine interne Verarbeitungszeit, um die interne Druckmesszelle auszulesen, diese Daten zu quantisieren und zu übertragen. Auch hat der Empfänger dieser Daten ggf. einen Zeitversatz, der auch mit beachtet werden sollte.
Denkbar sind auch besonders hohe Latenzzeichen, wenn der in der Fördereinheit verbaute Drucksensor als Bauteil von einem Steuergerät eingelesen werden und dann diese Daten via Bus, z.B. via CAN, an den Elektromotor übertragen werden müssen. Im Rahmen eines initialen Erstellens der Korrelation („Erstanlernen“) ist dies jedoch überschaubar, denn hierbei kann das Steuergerät (oder der Prüf- und Kalibrierrechner) besser und schneller reagieren und den Datenstrom ohne Jitter oder Latenzzeitschwankungen dem Elektromotor zur Verfügung stellen. Aus diesem Grund sind langsamere Drehzahlen von Vorteil, da die Latenzzeiten und der Jitter anteilig den kleinsten Einfluss haben.
Nachdem z.B. im Elektromotor die Drucksensormessung in Korrelation zur Läuferposition ausgewertet wurde, können diese Daten abgelegt werden, die später benötigt werden, um die Läuferbewegung in eine Pleuelposition umzuwandeln.
Eine Synchronisation der beiden Verläufe kann z.B. erfolgen, indem berücksichtigt wird, dass zum Überwinden des unteren Totpunktes, bei dem die höchste Kompression im Pumpenraum stattfindet, auch der größte Strom durch den Stator bzw. die Wicklungen benötigt wird. Dieser Punkt kann auch als zweiter Anhaltspunkt - und damit als zusätzliche Winkelposition - verwendet werden (der höchste Kommutierungsstrom während einer einzelnen Umdrehung). Somit kann dieser Punkt als Referenz mit in die Berechnungen einfließen und die Rotation weist einen definierten Punkt auf, auf den sich die Lage- bzw. Positionsbewertungen beziehen können. Mit diesen zwei Punkten ist jederzeit erkennbar, an welchem Kommutierungspunkt sich der Pleuel befindet. Diese Daten kann der Elektromotor am Ende des Kalibriervorgangs in seinen Speicher bzw. einen Speicher einer entsprechenden Recheneinheit ablegen, damit diese Daten auch nach Abschalten der Versorgungsspannung fest hinterlegt sind.
Falls der Elektromotor im realen Betrieb in einer Fördereinheit eine Kommutierung überspringt, weil z.B. eine Blockade oder eine andere Störung eintritt, so kann dies bemerkt werden, da sich der Wirkungsgrad des Systems verschlechtert, weil die aktiven Ventile nicht mehr korrekt zur Pleuelposition öffnen bzw. schließen. Dann kann z.B. das Steuergerät durch einen entsprechenden Befehl den Elektromotor veranlassen, die Berechnungen neu mit den letzten gültigen Werten aus der Kalibrierung zu starten. Wenn dies allerdings den Wirkungsgrad des Systems nicht verbessert, so kann z.B. das Steuergerät den Elektromotor anweisen, eine neue Kalibrierung zu starten.
Es ist allerdings zweckmäßig, dass die durch diese neue Kalibrierung erhaltenen Daten nicht sofort in den nichtflüchtigen Speicher geschrieben werden, sondern erst dann, wenn eine Verbesserung des Wirkungsgrads eingetreten ist. Die Aufforderung zum Beschreiben des nichtflüchtigen Speichers mit diesen neuen Daten der Kalibrierung wird z.B. durch ein Kommando vom Steuergerät an den Elektromotor veranlasst.
Prinzipiell ist eine Motorenbeschaltung, bei der ein Inkrementalgeber verbaut ist, noch prozesssicherer, da dieser die Winkelschritte bzw. Winkelpositionen granularer bewerten lässt. Dies gilt dann allerdings nur, wenn er eine feinere Auflösung als die z.B. 36 Pulse bzw. 10° Unterteilung pro Umdrehung aus dem vorstehend erläuterten Beispiel anbietet. Weist dieser Elektromotor dann noch die Möglichkeit auf, einen Einzelpuls pro Umdrehung (als die zusätzliche Winkelposition) zu generieren, dann kann eine besonders hohe Aussagekraft erhalten werden.
In diesem Fall sieht die Kalibrierung bzw. das Anlernen ähnlich aus wie vorstehend beschrieben. Im zusammengebauten Zustand wird ein Medium im Pumpenraum unter Druck gesetzt, der Elektromotor wird für einige Umdrehungen des Läufers betrieben, der Druck wird erfasst, die Druckdaten werden interpoliert, die Rotationsdaten werden mit den Drucksensordaten korreliert und es kann ein Winkeloffset zwischen der Läuferposition und der Pleuelposition (abgebildet im Drucksignal) gebildet werden und die Korrelation kann abgespeichert werden. Es ist jedoch keine Analyse von Strom oder ähnlichem nötig, wenn über den Inkrementalgeber zusätzlich noch ein Einzelimpuls pro Umdrehung vorhanden ist, der dem Steuergerät übergeben werden kann und eine Sicherheit bietet, auch bei einem Kommutierungsverlust die Absolutposition zu bestimmen.
Eine qualitativ sehr hochwertige Aussage kann in einem System gewonnen werden, bei dem keine digitalen, sondern analoge Hallsensoren verbaut sind, bzw. in dem ein magnetischer Encoderchip mit Hallsensoremulation und einem Steuermagneten vorgesehen sind. Hierbei kann ein ringförmiger Magnet, der zwei Pole aufweist und entsprechend magnetisiert ist, fest auf der Läuferwelle bzw. dem Läufer angebracht werden (z.B. durch Kleben oder Verpressen). Ein magnetischer Encoderchip z.B. auf der Platine kann dann das Magnetfeld erkennen und es kann dem Drehwinkel des Läufers eine Winkelposition zugewiesen werden.
Solche Systeme müssen zunächst eingelernt werden (Drehwinkel des Steuermagnets zum Drehwinkel des Rotormagnets zur Position des Stators). Von Vorteil hierbei ist, dass die Steuerelektronik jederzeit die Drehwinkelposition des Läufers kennt und die Korrelation zwischen Drucksensor und Pleuelposition einfach und sicher gebildet werden kann. Somit muss bei dieser Variante nur einmal das System eingelernt werden. Eine Neukalibrierung von Pleuel- zu Läuferposition ist nicht mehr nötig.
In 4 ist ein solcher Elektromotor 240' mit ringförmigem Magnet 260 und magnetischem Encoderchip mit Hallsensoremulation 265, z.B. auf einer Platine 266, gezeigt (links in Draufsicht, rechts in Schnittansicht). Der ringförmige Magnet 260 ist dabei auf eine Läuferwelle 280 des hier glockenförmig ausgebildeten Läufers 245' aufgebracht.

Claims

Verfahren zum Kalibrieren einer Pumpe (210) mit einem Pumpenraum (220), zwei Ventilen (221, 222) für den Pumpenraum (220), von denen wenigstens eines aktiv steuerbar ist, und mit einem Elektromotor (240), mit dem ein den Pumpenraum (220) begrenzendes Element (225) hin- und herbewegbar ist, wobei der Pumpenraum (220) mit einem komprimierbaren Medium druckbeaufschlagt wird, wobei mit dem Elektromotor (240) wenigstes eine Umdrehung seines Läufers (245) vollführt und verschiedene Winkelpositionen (φ_i) des Läufers erfasst werden, wobei während der wenigstens einen Umdrehung des Läufers (245) ein Verlauf (V₃) eines Druckes (p) des Mediums im Pumpenraum (220) erfasst wird, und wobei anhand des Verlaufs (V₃) des Drucks eine Korrelation zwischen einer Position (h) des den Pumpenraum (220) begrenzenden Elements (225) und den Winkelpositionen (φ_i) des Läufers hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei beim Herstellen der Korrelation eine Latenzzeit (t_D) beim Erfassen des Druckes berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei weiterhin eine einer vorbestimmten Position des den Pumpenraum (220) begrenzenden Elements (225) entsprechende zusätzliche Winkelposition des Läufers (245) erfasst und bei der Korrelation berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die zusätzliche Winkelposition basierend auf einem der vorbestimmten Position des den Pumpenraum (220) begrenzenden Elements (225) entsprechenden Stromfluss in dem Elektromotor (240) erfasst wird, wobei die vorbestimmte Position des den Pumpenraum begrenzenden Elements einem minimalen Volumen des Pumpenraums (220) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei die zusätzliche Winkelposition durch Auslaufenlassen des Elektromotors (240) während der Druckbeaufschlagung des Pumpenraums (220) erreicht wird, wobei die vorbestimmte Position des den Pumpenraum begrenzenden Elements (225) einem maximalen Volumen des Pumpenraums entspricht.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die verschiedenen Winkelpositionen (φ_i) des Läufers (245) mittels eines oder mehreren magnetsensitiven Elementen, vorzugsweise Hallsensoren, im Elektromotor (240) erfasst werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die verschiedenen Winkelpositionen (φ_i) des Läufers mittels eines Inkrementalgebers erfasst werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Korrelation zwischen der Position (h) des den Pumpenraum begrenzenden Elements (225) und den Winkelpositionen des Läufers auf einer zur Ansteuerung der Pumpe (210) vorgesehenen Recheneinheit (150) hinterlegt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Pumpe (210) in einem SCR- Versorgungssystem (100) verwendet wird.
Verfahren zum Betreiben einer Pumpe (210) mit einem Pumpenraum (220), zwei steuerbaren Ventilen (221, 222) für den Pumpenraum (220), von denen wenigstens eines aktiv steuerbar ist, und mit einem Elektromotor (240), mit dem ein den Pumpenraum begrenzendes Element (225) hin- und herbewegbar ist, zum Fördern eines Fluids (121), insbesondere in einem SCR-Versorgungssystem (100), wobei während eines Betriebs der Pumpe (210) das wenigstens eine aktiv ansteuerbare Ventil (221, 222) in Abhängigkeit von einer Position (h) des den Pumpenraum begrenzenden Elements (225) derart angesteuert wird, dass die Pumpe (210) mit einem geringeren als dem maximal möglichen Wirkungsgrad betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Pumpe (210) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 kalibriert ist
Recheneinheit (150), die dazu eingerichtet ist, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
Computerprogramm, das eine Recheneinheit (150) dazu veranlasst, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit (150) ausgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 13.