DE10046570A1 - Stellschaltung für ein elektrisch ansteuerbares Ventil - Google Patents

Abstract

Stellschaltung (15) für ein elektrisch ansteuerbares Ventil (7) mit einem beweglichen Ventilelement, insbesondere für ein Hochdruckregelventil einer Einspritzanlage, mit einem ersten Signaleingang zur Aufnahme eines Soll-Werts (P¶SOLL¶) für den Druck auf der Ausgangsseite des Ventils (7), einem Signalausgang zur Ausgabe eines elektrischen Steuersignals (TV) zur Ansteuerung des Ventils (7) sowie einer eingangsseitig mit dem ersten Signaleingang und ausgangsseitig mit dem Signalausgang verbundenen Steuer- und/oder Regeleinheit zur Bestimmung des Steuersignals (TV) in Abhängigkeit von dem Soll-Wert (P¶SOLL¶), wobei eingangsseitig eine Filteranordnung zur Filterung des Soll-Werts (P¶SOLL¶) vorgesehen ist, um die Reibung des Ventilelements bei der Ansteuerung des Ventils (7) durch eine Filterung des Soll-Werts zu berücksichtigen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Stellschaltung für ein elektrisch ansteuerbares Ventil mit einem beweglichen Ventilelement, insbesondere für ein Hochdruckregelventil einer Einspritzan­ lage für eine Brennkraftmaschine, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Einspritzanlagen für Brennkraftmaschinen weisen herkömmlich­ erweise eine Niederdruckpumpe auf, die den Kraftstoff aus ei­ nem Kraftstofftank fördert, wobei die Niederdruckpumpe aus­ gangsseitig mit einem Niederdruckregelventil verbunden ist, das beim Überschreiten eines vorgegebenen Maximaldrucks einen Teil des von der Niederdruckpumpe geförderten Kraftstoff­ stroms zurück in den Kraftstofftank führt, damit der Kraft­ stoffdruck im Niederdruckbereich den vorgegebenen Maximalwert nicht dauerhaft überschreitet.

Ausgangsseitig ist die Niederdruckpumpe mit einer Hochdruck­ pumpe verbunden, die den zur Einspritzung des Kraftstoffs in die Brennräume der Brennkraftmaschine erforderlichen hohen Einspritzdruck erzeugt, wobei zur Einstellung des Einspritz­ drucks ein Hochdruckregelventil vorgesehen ist, das beim Ü­ berschreiten eines vorgegebenen maximalen Einspritzdrucks ei­ nen Teil des von der Hochdruckpumpe geförderten Kraftstoff­ pumpe in den Niederdruckbereich der Einspritzanlage zurück­ führt, um den gewünschten Einspritzdruck einzustellen.

Das Hochdruckregelventil ist beispielsweise als Magnetventil ausgeführt und weist einen zylinderförmigen, hohlen Magnet­ körper auf, der aus einem Pol, einem Joch und einem Gehäuse besteht, in das eine Zylinderspule eingelassen ist. In dem Magnetkörper ist hierbei ein zylinderförmiger Anker mit einer Führungsstange beweglich gelagert, so dass sich der Anker durch eine geeignete Bestromung der Zylinderspule verschieben lässt. Der Anker ist wiederum mit einem Ventilstössel verbun­ den, der in Abhängigkeit von der Stellung des Ankers in einen Ventilsitz gepresst wird oder diesen freigibt, um den Rück­ fluss von Kraftstoff in den Niederdruckbereich der Einspritz­ anlage zu steuern. Die Zylinderspule wird hierbei mit einer pulsweitenmodulierten Spannung angesteuert, so dass der Ein­ spritzdruck durch eine Änderung des Tastverhältnisses der pulsweitenmodulierten Spannung eingestellt werden kann, wobei der Einspritzdruck eine annähernd lineare Funktion des Tast­ verhältnisses ist.

Die vorstehend beschriebene Ansteuerung eines Magnetventils funktioniert relativ gut im stationären Betrieb, solange der Soll-Wert für den Einspritzdruck annähernd konstant ist. Bei einem dynamischen Betrieb der Einspritzanlage mit einem schwankenden Soll-Wert für den Einspritzdruck arbeitet die vorstehend beschriebene bekannte Ansteuerung jedoch unbefrie­ digend.

Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, eine Stell­ schaltung für das vorstehend beschriebene Ventil zu schaffen, die auch bei einem sich dynamisch ändernden Soll-Wert für den Einspritzdruck befriedigend arbeitet.

Die Erfindung wird, ausgehend von der eingangs beschriebenen bekannten Stellschaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung geht von der technisch-physikalischen Erkennt­ nis aus, dass bei einer Änderung der Einstellung des vorste­ hend beschriebenen bekannten Ventils Reibkräfte wirken, die bei einem dynamischen Betrieb mit sich änderndem Soll-Wert für den Einspritzdruck das Stellverhalten verfälschen.

Die Erfindung umfasst deshalb die allgemeine technische Leh­ re, den Soll-Wert zur Einstellung des Kraftstoffdrucks durch eine Filteranordnung zu filtern, um die Reibung des Ventil­ elementes bei der Ansteuerung des Ventils durch eine Filte­ rung des Soll-Werts zu berücksichtigen.

In der bevorzugten Ausführungsform weist diese Filteranord­ nung einen PT1-Filter und/oder einen PPT1-Filter auf, jedoch sind auch andere Filteranordnungen möglich.

Bei einer Variante der Erfindung weist die erfindungsgemäße Stellschaltung eine Steuereinheit auf, die das Ventil ohne eine Rückkopplung in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Soll-Wert ansteuert.

In einer anderen Variante der Erfindung weist die erfindungs­ gemäße Stellschaltung dagegen eine Regeleinheit auf, wobei das Steuersignal zur Ansteuerung des Ventils auf den Eingang der Regeleinheit zurückgekoppelt wird, was eine genauere Ein­ stellung auch bei äußeren Störgrößen ermöglicht.

In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist jedoch sowohl eine Steuereinheit als auch eine Regeleinheit vorgese­ hen, wobei die Filteranordnung zur Berücksichtigung der Rei­ bung des Ventilelementes vorzugsweise in der Steuereinheit angeordnet ist. Es ist jedoch auch möglich, die Filteranord­ nung zur Berücksichtigung der Reibung des Ventilelementes in der Regeleinheit vorzusehen oder als separates Bauelement auszuführen.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet oder werden nachstehend zusam­ men mit der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Einspritz­ anlage mit einer erfindungsgemäßen Stellschaltung zur Ansteuerung eines Hochdruckregelventils,

Fig. 2 den Aufbau des Hochdruckregelventils in einer sche­ matischen Darstellung

Fig. 3 die erfindungsgemäße Stellschaltung zur Ansteuerung des Hochdruckregelventils mit einer Steuereinheit und einer Regeleinheit,

Fig. 4 die Steuereinheit mit einer Filteranordnung zur Be­ rücksichtigung der Reibung in dem Hochdruckregel­ ventil sowie

Fig. 5 die Filteranordnung zur Berücksichtigung der Rei­ bung in dem Hochdruckregelventil.

Die in Fig. 1 dargestellte Einspritzanlage ist weitgehend herkömmlich aufgebaut und weist zur Förderung von Kraftstoff aus einem Kraftstofftank 1 eine Niederdruckpumpe 2 auf, die über eine Antriebswelle 3 von der Brennkraftmaschine ange­ trieben wird. Alternativ hierzu ist jedoch ein Antrieb der Niederdruckpumpe 2 durch einen Elektromotor möglich.

Ausgangsseitig ist die Niederdruckpumpe 2 mit einem Nieder­ druckregelventil 4 verbunden, das beim Überschreiten eines vorgegebenen Maximaldrucks in dem stromabwärts der Nieder­ druckpumpe 2 gelegenen Niederdruckbereich einen Teil des von der Niederdruckpumpe 2 geförderten Kraftstoffstroms abzweigt und zurück in den Kraftstofftank 1 führt, um ein übermäßiges Ansteigen des Kraftstoffdrucks in dem Niederdruckbereich zu verhindern. Bei zu geringem Kraftstoffdruck im Niederdruckbe­ reich schließt dagegen das Niederdruckregelventil 4, so dass der gesamte von der Niederdruckpumpe 2 geförderte Kraftstoff­ strom zum Druckaufbau im Niederdruckbereich beiträgt.

Weiterhin ist die Niederdruckpumpe 2 ausgangsseitig mit einer Hochdruckpumpe 5 verbunden, die den zur Einspritzung des Kraftstoffs in die Brennräume der Brennkraftmaschine erfor­ derlichen Einspritzdrucks erzeugt. Der Antrieb der Hochdruck­ pumpe erfolgt ebenfalls über die Antriebswelle 3 durch die Brennkraftmaschine.

Die Hochdruckpumpe 5 ist über eine Förderleitung mit einem Druckspeicher 6 (engl: common rail) verbunden, aus dem mehre­ re Injektoren mit Kraftstoff versorgt werden.

Darüber hinaus ist der Druckspeicher 6 auch mit einem Hoch­ druckregelventil 7 verbunden, das beim Überschreiten des vor­ gegebenen Einspritzdrucks in dem Druckspeicher 6 einen Teil des Kraftstoffs abzweigt und in den Niederdruckbereich der Einspritzanlage zurückführt. Der Aufbau des Hochdruckregel­ ventils 7 ist schematisch in Fig. 2 dargestellt. So weist das Hochdruckregelventil 7 eine mit dem Druckspeicher 6 ver­ bundene Zuleitung 8 sowie zwei mit dem Niederdruckbereich der Einspritzanlage verbundene Ableitungen 9, 10 auf. Die Steue­ rung des Kraftstoffflusses von der Zuleitung 8 zu den Ablei­ tungen 9, 10 erfolgt durch einen kugelförmigen Ventilstössel 11, der im geschlossenen Zustand des Hochdruckregelventils in einem Ventilsitz an der Mündungsstelle der Zuleitung 8 ruht und diese sperrt. Der Ventilstössel 11 ist über eine Ven­ tilstange 12 mit einem Kolben 13 verbunden, der in einem Zy­ linder verschiebbar gelagert ist und einen Anker für eine Magnetspule bildet, so dass der Ventilstössel 11 mit der Ven­ tilstange 12 und dem Ventilkolben 13 durch eine Bestromung einer den Ventilkolben 13 umgebenden Zylinderspule verschoben werden kann. Im geöffneten Zustand des Hochdruckregelventils 7 ist der Ventilstössel 11 deshalb aus dem Ventilsitz heraus­ gehoben, so dass Kraftstoff von der Zuleitung 8 in die Ablei­ tung 9, 10 fließen kann.

Die elektrische Ansteuerung des Hochdruckregelventils 7 er­ folgt durch eine Treiberschaltung 14, welche die Magnetspule des Hochdruckregelventils 7 mit einer pulsweitenmodulierten Spannung ansteuert, wobei das Tastverhältnis TV der pulswei­ ten modulierten Spannung und damit der Kraftstoffdruck in dem Druckspeicher 6 durch eine Stellschaltung 15 vorgegeben wird.

Eingangsseitig ist die Stellschaltung 15 mit einem Drucksen­ sor 16 verbunden, der den aktuellen Kraftstoffdruck P = st in dem Druckspeicher 6 misst.

Weiterhin ist die Stellschaltung 15 eingangsseitig mit einer Motorsteuerung 17 (engl. ECU - electronic control unit) ver­ bunden, die einen Soll-Wert P_Soll für den Einspritzdruck vor­ gibt. Die Motorsteuerung 17 ist weitgehend herkömmlich aufge­ baut und wird deshalb im folgenden nicht näher erläutert. Es ist lediglich zu erwähnen, dass die Motorsteuerung 17 ein­ gangsseitig mit einem Drehzahlsensor 18 verbunden ist, der die Drehzahl n der Antriebswelle 3 misst. Weiterhin ist die Motorsteuerung 17 eingangsseitig mit einem Temperatursensor 19 verbunden, der die Kühlwassertemperatur TCO misst.

Die Stellschaltung 15 berechnet das Tastverhältnis TV und da­ mit auch den in dem Druckspeicher 6 herrschenden Einspritz­ druck in Abhängigkeit von dem Sollwert P_Soll für den Ein­ spritzdruck und dem tatsächlich gemessenen Einspritzdruck P_Ist. Darüber hinaus berücksichtigt die Stellschaltung 15 noch die Kühlwassertemperatur TCO, die Betriebsspannung VP, die in die Brennräume eingespritzte Kraftstoffmasse MFF_Inj sowie den Kraftstofffluss MFF_P durch das Hochdruckregelventil 7 sowie die von dem Drehzahlsensor 18 gemessene Drehzahl n.

Im folgenden wird nun unter Bezugnahme auf die detaillierte Darstellung der Stellschaltung 15 in Fig. 3 die Bestimmung des Tastverhältnisses erläutert. So weist die Stellschaltung 15 eine Regeleinheit auf, welche in Abhängigkeit von der Ab­ weichung zwischen dem Sollwert P_Soll und dem Ist-Wert P_Ist des Einspritzdrucks einen geregelten Wert TV_Reg für das Tastver­ hältnis TV berechnet. Eingangsseitig weist die Regeleinheit einen PT1-Filter 21 auf, dem ein Addierer 22 nachgeschaltet ist, der die Regelabweichung ΔP berechnet. Die Regelabwei­ chung ΔP wird einem PI-Regler 23 zugeführt, der in Abhängig­ keit von der Regelabweichung ΔP und dem Kraftstofffluss MFF_P durch das Hochdruckregelventil 7 den geregelten Wert TV_Reg be­ stimmt.

Weiterhin weist die Stellschaltung 15 eine Steuereinheit 24 auf, die im wesentlichen aus einem mehrdimensionalen Kennli­ nienfeld besteht, das in Abhängigkeit von der Drehzahl n, der eingespritzten Kraftstoffmasse MFF_Inj und dem gefilterten Sollwert P_FILT für den Kraftstoffdruck einen gesteuerten Wert TV_St für das Tastverhältnis bestimmt.

Der Steuereinheit 24 ist eine Filteranordnung 25 vorgeschal­ tet, die detailliert in Fig. 4 dargestellt ist und die Rei­ bung des Ventilkolbens 13 des Hochdruckregelventils 7 berück­ sichtigt, wie noch detailliert beschrieben wird. Die Steuer­ einheit 24 und der PI-Regler 23 sind ausgangsseitig mit einem Addierer 26 verbunden, der die Summe aus dem gesteuerten Wert TV_ST und dem geregelten Wert TV_REG für das Tastverhältnis bil­ det und an ein Korrekturglied 27 weitergibt. Das Korrektur­ glied 27 ist eingangsseitig mit dem Temperatursensor 19 ver­ bunden und korrigiert das Tastverhältnis entsprechend der Be­ triebsspannung VB und der Kühlwassertemperatur TCO. Ausgangs des Korrekturglieds 27 erscheint dann das Tastverhältnis TV, mit dem die Treiberschaltung 14 angesteuert wird.

Im folgenden wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 4 der Aufbau und die Funktion der Filteranordnung 25 beschrieben.

So weist die Filteranordnung 25 einen Zwischenspeicher 28 auf, der den Sollwert Psoii aus dem vorangegangenen Regel­ schritt zwischenspeichert. Ausgangsseitig ist der Zwischen­ speicher 28 mit einem Addierer 29 verbunden, der die Diffe­ renz ΔP zwischen dem Sollwert P_Soll des aktuellen Regel­ schritts und dem Sollwert P_Soll des vorangegangenen Regel­ schritts berechnet.

Ausgangsseitig ist der Addierer 29 mit einem Kennlinienglied 30 verbunden, das in Abhängigkeit von der Differenz ΔP einen Gewichtungsfaktor G bestimmt, wobei das Kennlinienglied 30 ausgangsseitig mit einem Multiplizierer 31 und einem Subtra­ hierer 32 verbunden ist.

Am Ausgang des Multiplizierers 31 erscheint also der mit dem Gewichtungsfaktor G gewichtete Sollwert P_Soll, wohingegen am Ausgang des Subtrahierers 32 die Differenz zwischen einem durch ein Referenzelement 33 vorgegebenen Wert 1 und den Ge­ wichtungsfaktor G erscheint.

Weiterhin weist die Filteranordnung 25 einen PT1-Filter 34 auf, das die Reibung des Ventilkolbens 13 in dem Hochdruckre­ gelventil 7 berücksichtigt. Der Aufbau des PT1-Filters 34 ist detailliert in Fig. 5 beschrieben und wird noch eingehend erläutert.

Ausgangsseitig ist das PT1-Filter 34 mit einem Multiplizierer 35 verbunden, der wiederum mit einem Addierer 36 verbunden ist, so dass am Ausgang des Addierers 36 ein von dem Sollwert P_Soll abgeleiteter Wert P_Filt erscheint, der bereits die Rei­ bung des Ventilkolbens 13 des Hochdruckregelventils 7 berück­ sichtigt.

Im folgenden wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 5 der Aufbau des PT1-Filters 34 beschrieben.

So weist das PT1-Filter 34 einen Zwischenspeicher 37 auf, der den Wert P_{Filt, TMP, ALT} aus dem vorangegangenen Regelschritt zwischenspeichert und einem Addierer 38 zuführt, der die Dif­ ferenz ΔP aus dem aktuellen Sollwert P_Soll des Kraftstoff­ drucks und dem Wert P_{Filt, TMP, ALT} aus dem vorangegangenen Re­ gelschritt berechnet. Ausgangsseitig ist der Addierer 38 mit einem Multiplizierer 39 verbunden, der die berechnete Diffe­ renz ΔP mit einer vorgegebenen Filterkonstante K1 multipli­ ziert. Das Produkt K1.ΔP wird einem Addierer 40 zugeführt, der die Summe aus dem Produkt K1.ΔP und der Ausgangsgröße P_{Filt, TMP, ALT} aus dem vorangegangenen Regelschritt berechnet und ausgangsseitig ausgibt.

Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene be­ vorzugte Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen denkbar, die von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb ebenfalls in den Schutzbereich fallen.

Claims (11)

1. Stellschaltung (15)für ein elektrisch ansteuerbares Ventil (7) mit einem beweglichen Ventilelement, insbesondere für ein Hochdruckregelventil einer Einspritzanlage, mit
einem ersten Signaleingang zur Aufnahme eines Soll-Werts (P_SOLL)für den Druck auf der Ausgangsseite des Ventils (7),
einem Signalausgang zur Ausgabe eines elektrischen Steuer­ signals (TV) zur Ansteuerung des Ventils (7), sowie
einer eingangsseitig mit dem ersten Signaleingang und aus­ gangsseitig mit dem Signalausgang verbundenen Steuer- und/oder Regeleinheit zur Bestimmung des Steuersignals in Ab­ hängigkeit von dem Soll-Wert, dadurch gekennzeichnet,
daß eingangsseitig eine Filteranordnung (25) zur Filterung des Soll-Werts (P_SOLL)vorgesehen ist, um die Reibung des Ven­ tilelements bei der Ansteuerung des Ventils (7) durch eine Filterung des Soll-Werts (P_SOLL) zu berücksichtigen.

2. Stellschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufnahme eines Ist-Werts (P_IST)für den Druck auf der Ausgangsseite des Ventils ein zweiter Signaleingang vorgese­ hen ist, wobei zur Bestimmung der Steuersignals (TV) zur An­ steuerung des Ventils (7) eine Regeleinheit (23) vorgesehen ist, die eingangsseitig mit den beiden Signaleingängen und ausgangsseitig mit dem Signalausgang verbunden ist.

3. Stellschaltung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ansteuerung des Ventils eine Steuereinheit (24) und eine Regeleinheit (23) vorgesehen ist.

4. Stellschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (24) und die Regeleinheit (23) aus­ gangsseitig mit einem Addierer (26) verbunden sind.

5. Stellschaltung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Filteranordnung (25) zur Berücksichtigung der Reibung des beweglichen Ventilelements in der Steuereinheit angeord­ net ist.

6. Stellschaltung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Filteranordnung (25) ein PT1-Filter (34) oder ein PPT1-Filter aufweist.

7. Stellschaltung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Filteranordnung (25) einen mit dem ersten Signalein­ gang verbundenen Zwischenspeicher (28) aufweist, um einen vo­ rangegangenen Soll-Wert des Drucks zwischenzuspeichern.

8. Stellschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Filteranordnung (25) einen Subtrahierer (29) auf­ weist, der eingangsseitig mit dem Zwischenspeicher (28) und dem ersten Signaleingang verbunden ist, um die zeitliche Än­ derung des Soll-Werts zu berechnen.

9. Stellschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Subtrahierer (29) ausgangsseitig mit einem Kennli­ nienglied (30) verbunden ist, das in Abhängigkeit von der zeitlichen Änderung des Soll-Werts einen Gewichtungsfaktor (G) bestimmt.

10. Stellschaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Filteranordnung (25) einen Multiplizierer (31) auf­ weist, der eingangsseitig mit dem ersten Signaleingang und dem Kennlinienglied (30) verbunden ist, um den Soll-Wert mit dem Gewichtungsfaktor zu multiplizieren.

11. Stellschaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der PT1-Filter und der Multiplizierer ausgangsseitig mit einem Addierer verbunden sind.