DE102010039832A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erkennen eines Erreichens eines Schließpunkts eines hydraulischen Ventils - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Erkennen eines Erreichens eines Schließpunkts eines hydraulischen Ventils Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtung zum Erkennen eines Erreichens eines Schließpunkts eines hydraulischen Ventils. Das Ventil (20) weist einen Schließkörper (34) auf, der von einem elektrischen Aktuator (40) zum Schließen des Ventils (20) betätigbar ist. Eine für das Schließen des Ventils (20) vorgegebenen Spannung (U_1) wird an den Aktuator (40) angelegt. Ein Verlauf eines durch den Aktuator (40) fließenden Stroms wird erfasst. Ausgehend von einem ersten Anstieg des Verlaufs des erfassten Stroms, der repräsentativ ist dafür, dass das Ventil (20) wenigstens teilweise geöffnet ist, einem anschließenden Abfall des Verlaufs des erfassten Stroms, der repräsentativ ist dafür, dass der Schließkörper (34) eine Bewegung zum Schließen des Ventils (20) ausführt, und einem an den Abfall des Verlaufs des erfassten Stroms anschließenden zweiten Anstieg des Verlaufs des erfassten Stroms wird ein lokales Minimum (I_MIN) des erfassten Stroms zwischen dem Abfall und dem zweiten Anstieg des Verlaufs des erfassten Stroms ermittelt. Abhängig von dem lokalen Minimum (I_MIN) des erfassten Stroms wird ein zu einem Zeitpunkt (T_MIN) des lokalen Minimums (I_MIN) des erfassten Stroms korrespondierender Schließpunkt ermittelt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erkennen eines Erreichens eines Schließpunkts eines hydraulischen Ventils.
  • Hydraulische Ventile werden insbesondere in Hochdruckpumpen zur Förderung von Kraftstoff in Einspritzsystemen für Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen verwendet.
  • Derartige Ventile unterliegen starken Beanspruchungen, insbesondere wenn sie Dauerbelastungen ausgesetzt sind, wie dies in Hochdruckpumpen der Fall sein kann. Da Hochdruckpumpen Drücken von beispielsweise 2000 bar oder mehr ausgesetzt sind, werden hohe Anforderungen an die Ventile in derartigen Pumpen gestellt.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erkennen eines Erreichens eines Schließpunkts eines hydraulischen Ventils zu schaffen, mit dem beziehungsweise mit der ein genauer und kostengünstiger Betrieb des Ventils ermöglicht ist.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
  • Die Erfindung zeichnet sich aus durch ein Verfahren und eine korrespondierende Vorrichtung zum Erkennen eines Erreichens eines Schließpunkts eines hydraulischen Ventils, wobei das Ventil einen Schließkörper aufweist, der von einem elektrischen Aktuator zum Schließen des Ventils betätigbar ist. Eine für das Schließen des Ventils vorgegebene Spannung wird an den Aktuator angelegt. Ein Verlauf eines durch den Aktuator fließenden Stroms wird erfasst. Ausgehend von einem ersten Anstieg des Verlaufs des erfassten Stroms, der repräsentativ ist dafür, dass das Ventil wenigstens teilweise geöffnet ist, einem anschließenden Abfall des Verlaufs des erfassten Stroms, der repräsentativ ist dafür, dass der Schließkörper eine Bewegung zum Schließen des Ventils ausführt, und einem an den Abfall des Verlaufs des erfassten Stroms anschließenden zweiten Anstieg des Verlaufs des erfassten Stroms wird ein lokales Minimum des erfassten Stroms zwischen dem Abfall und dem zweiten Anstieg des Verlaufs des erfassten Stroms ermittelt. Abhängig von dem lokalen Minimum des erfassten Stroms wird ein zu einem Zeitpunkt des lokalen Minimums des erfassten Stroms korrespondierender Schließpunkt ermittelt.
  • Der Zeitpunkt des lokalen Minimums des erfassten Stroms ist repräsentativ dafür, dass das Ventil gerade geschlossen ist.
  • Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass bei einer Bewegung des Schließkörpers dem Aktuator Energie entzogen wird, und der Strom solange abfällt, bis der Schließkörper bei einem Erreichen des Schließpunkts des Ventils wieder zur Ruhe kommt. Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der Schließpunkt des Ventils sehr genau ermittelt werden kann. Äußere Einflüsse wie beispielsweise der Druck und die Temperatur eines durch das Ventil fließenden Mediums können kompensiert werden. Damit kann eine hohe Präzision eines Durchsatzes von Fluid durch das Ventil erreicht werden und Schwankungen des Fluiddurchsatzes können klein gehalten werden.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 eine schematische Ansicht einer Pumpe mit einem Ventil in einem Längsschnitt, und
  • 2 eine schematische Ansicht eines Spannung- und Stromverlaufs des Ventils.
  • Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
  • 1 zeigt eine Pumpe 10 mit einem Pumpengehäuse 12. Die Pumpe 10 ist insbesondere als Hochdruckpumpe, vorzugsweise als Radialkolbenpumpe ausgebildet. In dem Pumpengehäuse 12 ist ein Pumpenkolben 14 bewegbar gelagert. In dem Pumpengehäuse 12 befindet sich an einem Ende des Pumpenkolbens 14 ein Druckraum 16. Um den Druckraum 16 mit Fluid befüllen zu können, weist dieser eine Zulaufleitung 18 auf, in der vorzugsweise ein als Einlassventil ausgebildetes Ventil 20 angeordnet ist. Das als Einlassventil ausgebildete Ventil 20 ist vorzugsweise als digital geschaltetes Ventil ausgebildet. Das Ventil 20 erleichtert die Befüllung des Druckraums 16 und verhindert beim Befüllen das Zurückströmen des Fluids aus der Zulaufleitung 18. Der Druckraum 16 weist weiter eine Ablaufleitung 22 auf, in der ein als Auslassventil ausgebildetes weiteres Ventil 24 angeordnet ist. Damit kann Fluid aus dem Druckraum 16 ausgestoßen werden.
  • Die Pumpe 10 weist weiter eine Antriebswelle 26 auf, die mit einem Exzenterring 28 in Wirkverbindung steht und in einer Drehrichtung D im Uhrzeigersinn drehbar ist. Anstelle des Exzenterrings 28 kann auch eine Nockenwelle eingesetzt werden. Alternativ kann die Pumpe 10 auch als Kurbeltriebpumpe ausgeführt sein.
  • Das Ventil 20 hat ein Ventilgehäuse 30 mit einer Ausnehmung. In dem Ventilgehäuse 30 sind eine Feder 32, ein Schließkörper 34 und ein Dichtelement 36 angeordnet. Die Feder 32 spannt das Dichtelement 36 über den Schließkörper 34 vor, indem sie sich an einer Wand der Ausnehmung des Ventilgehäuses 30 abstützt. Das Ventil 20 hat weiter einen gegenüber dem Ventilgehäuse 30 fest angeordneten Dichtsitz 38.
  • Das Ventil 20 weist weiter einen Aktuator 40 auf. Der Aktuator 40 weist insbesondere eine Magnetspule auf. Der Schließkörper 34 kann von dem Aktuator 40 betätigt werden.
  • Im Folgenden soll die Funktionsweise der Pumpe 10 und des Ventils 20 beschrieben werden:
    Durch eine Drehbewegung der Antriebswelle 26 in der Drehrichtung D wird der Pumpenkolben 14 mittels des Exzenterrings 28 zu der Antriebswelle 26 hin bewegt, bis er einen unteren Totpunkt erreicht. Dabei öffnet das Ventil 20 aufgrund der Federkraft der Feder 32 und einer Druckdifferenz vor und hinter dem Ventil 20. Das Dichtelement 36 hebt von dem Dichtsitz 38 ab. Der Druckraum 16 wird nun mit Fluid befüllt. Durch eine weitere Drehbewegung der Antriebswelle 26 in der Drehrichtung D wird der Pumpenkolben 14 durch den Exzenterring 28 von der Antriebswelle 26 weg bewegt und verdichtet dabei das in dem Druckraum 16 befindliche Fluid. Zu einem vorgegebenen Zeitpunkt wird eine vorgegebene Spannung U_1 an den Aktuator 40 angelegt (siehe Verlauf einer Spannung U in 2). Durch das Anlegen der vorgegebenen Spannung U_1 kann eine entgegen der Federkraft wirkende Aktuatorkraft auf den Schließkörper 34 wirken. Durch die Bewegung des Schließkörpers 34 in Richtung der Aktuatorkraft und der herrschenden Druckverhältnisse vor und hinter dem Ventil 20 kann sich das Dichtelement 36 an den Dichtsitz 38 anlegen. Das Ventil 20 ist nun hydraulisch geschlossen und eine Fluidströmung durch das Ventil 20 ist unterbunden. Das in den Druckraum 16 verdichtete Fluid kann nun vollständig über das als Auslassventil ausgebildete weitere Ventil 24 aus der Pumpe 10 ausgestoßen werden. Der Pumpenkolben 14 hat nun einen oberen Totpunkt erreicht.
  • Handelt es sich bei der Pumpe 10 um eine Kraftstoffhochdruckpumpe einer Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine, so kann der mit hohem Druck beaufschlagte Kraftstoff zu einem als Hochdruckkraftstoffspeicher ausgebildeten Fluidspeicher, dem so genannten Common Rail, gelangen.
  • Im Folgenden soll das Erkennen eines Erreichens eines Schließpunkts des Ventils 20 insbesondere anhand von 2 im Detail dargestellt werden:
    Zunächst wird die vorgegebene Spannung U_1 an den Aktuator 40 angelegt. Die vorgegebene Spannung U_1 ermöglicht ein Schließen des Ventils 20. Ein Verlauf eines durch den Aktuator 40 fließenden Stroms wird erfasst. Vorzugsweise werden Messwerte I_AV des durch den Aktuator 40 fließenden Stroms erfasst.
  • In einem ersten Abschnitt I_1 des Verlaufs der Messwerte I_AV des Stroms steigt der Strom an. Der Anstieg ist in erster Linie von der vorgegebenen Spannung U_1 und einem elektrischen Widerstand des Aktuators 40 abhängig. Der elektrische Widerstand des Aktuators 40 ist durch einen ohmschen Teil und einen induktiven Teil bestimmt. Sobald der Schließkörper 34 zu einem Zeitpunkt T_A eine Bewegung beginnt, folgt der Verlauf der Messwerte I_AV des Stroms einer Parabelform und fällt dabei schließlich in einem zweiten Abschnitt I_2 des Verlaufs der Messwerte I_AV des Stroms wieder ab. Der zweite Abschnitt I_2 des Verlaufs der Messwerte I_AV des Stroms repräsentiert eine Bewegung des Schließkörpers 34 zum Schließen des Ventils 20. Die Bewegung des Schließkörpers 34 dauert solange, bis das Dichtelement 36 in Anschlag mit dem Dichtsitz 38 gelangt (1). In einem dritten Abschnitt I_3 des Verlaufs der Messwerte I_AV des Stroms erfolgt ein zweiter Anstieg des Stroms. Zwischen dem Abfall und dem zweiten Anstieg des Verlaufs der Messwerte I_AV des Stroms wird in einem Zeitpunkt T_MIN ein lokales Minimum I_MIN des Stroms erreicht. Der Schließkörper 34 gelangt insbesondere in dem Zeitpunkt T_MIN zum Stillstand. Der Zeitpunkt T_MIN ist repräsentativ dafür, dass das Ventil 20 gerade geschlossen ist. Der Anstieg des Stroms in dem dritten Abschnitt I_3 resultiert daraus, dass, nachdem der Schließkörper 34 zum Stillstand gekommen ist, dem Magnetfeld des Aktuators 40 keine weitere Energie für dessen Bewegung entzogen wird.
  • Vorzugsweise erfolgt das Ermitteln der Messwerte I_AV des durch den Aktuator 40 fließenden Stroms durch eine Abtastung des Stroms in diskreten Zeitschritten derart, dass die Messwerte I_AV des durch den Aktuator 40 fließenden Stroms so voneinander beabstandet sind, dass sie eine vorgegebene Präzision beim Bestimmen des Schließpunkts des hydraulischen Ventils 20 ermöglichen. Vorzugsweise wird der Zeitpunkt T_MIN des lokalen Minimums I_MIN des Stroms bestimmt, indem der Verlauf der aktuellen Steigungen des Verlaufs der Messwerte I_AV des Stroms ermittelt wird, und dieser Verlauf zur Ermittlung des Zeitpunkts T_MIN des lokalen Minimums I_MIN des Stroms herangezogen wird. Der so bestimmte Zeitpunkt T_MIN kann nunmehr in geeigneter Weise gespeichert werden.
  • Der detektierte Zeitpunkt T_MIN des Stillstands des Schließkörpers 34 wird vorzugsweise einem Kurbelwellenwinkel der Pumpe 10 (hier dargestellt durch ein Kurbelwellensignal CRK, 2) zugeordnet und zusammen mit diesem gespeichert. Damit kann in einfacher Weise eine hohe Genauigkeit des Schließpunkts des Ventils 20 in Verbindung mit dem Kurbelwellenwinkel der Pumpe 10 erreicht werden.
  • Damit kann eine besonders hohe Robustheit gegenüber Störungen und Schwankungen im Hochdruckbereich der Pumpe 10 erreicht werden. Durch das genaue Erfassen des Schließpunkts des Ventils 20 kann der Aufwand zur Ermittlung von Kennfeldern zur Korrektur von Fehlern des Schließzeitpunkts des Ventils 20 gering gehalten werden. Der Durchsatz der Pumpe 10 kann in sehr präziser Weise konstant gehalten werden. Handelt es sich bei der Pumpe 10 um eine Kraftstoffhochdruckpumpe einer Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine, so kann der Druck in dem nachgeschalteten Common Rail sehr konstant gehalten werden. Damit kann auch die Genauigkeit der Einspritzmenge von Einspritzventilen, die dem Common Rail nachgeschaltet sind, sehr hoch sein. Damit können sehr strenge Anforderungen an die Emission von Brennkraftmaschinen erfüllt werden.

Claims (2)

  1. Verfahren zum Erkennen eines Erreichens eines Schließpunkts eines hydraulischen Ventils (20), wobei das Ventil (20) einen Schließkörper (34) aufweist, der von einem elektrischen Aktuator (40) zum Schließen des Ventils (20) betätigbar ist, mit den Schritten: – Anlegen einer für das Schließen des Ventils (20) vorgegebenen Spannung (U_1) an den Aktuator (40), – Erfassen eines Verlaufs eines durch den Aktuator (40) fließenden Stroms, – ausgehend von einem ersten Anstieg des Verlaufs des erfassten Stroms, der repräsentativ ist dafür, dass das Ventil (20) wenigstens teilweise geöffnet ist, einem anschließenden Abfall des Verlaufs des erfassten Stroms, der repräsentativ ist dafür, dass der Schließkörper (34) eine Bewegung zum Schließen des Ventils (20) ausführt, und einem an den Abfall des Verlaufs des erfassten Stroms anschließenden zweiten Anstieg des Verlaufs des erfassten Stroms Ermitteln eines lokalen Minimums (I_MIN) des erfassten Stroms zwischen dem Abfall und dem zweiten Anstieg des Verlaufs des erfassten Stroms, und – abhängig von dem lokalen Minimum (I_MIN) des erfassten Stroms Ermitteln eines zu einem Zeitpunkt (T_MIN) des lokalen Minimums (I_MIN) des erfassten Stroms korrespondierenden Schließpunkts.
  2. Vorrichtung zum Erkennen eines Erreichens eines Schließpunkts eines hydraulischen Ventils (20), wobei das Ventil (20) einen Schließkörper (34) aufweist, der von einem elektrischen Aktuator (40) zum Schließen des Ventils (20) betätigbar ist, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist zum – Anlegen einer für das Schließen des Ventils (20) vorgegebenen Spannung (U_1) an den Aktuator (40), – Erfassen eines Verlaufs eines durch den Aktuator (40) fließenden Stroms, – ausgehend von einem ersten Anstieg des Verlaufs des erfassten Stroms, der repräsentativ ist dafür, dass das Ventil (20) wenigstens teilweise geöffnet ist, einem anschließenden Abfall des Verlaufs des erfassten Stroms, der repräsentativ ist dafür, dass der Schließkörper (34) eine Bewegung zum Schließen des Ventils (20) ausführt, und einem an den Abfall des Verlaufs des erfassten Stroms anschließenden zweiten Anstieg des Verlaufs des erfassten Stroms Ermitteln eines lokalen Minimums (I_MIN) des erfassten Stroms zwischen dem Abfall und dem zweiten Anstieg des Verlaufs des erfassten Stroms, und – abhängig von dem lokalen Minimum (I_MIN) des erfassten Stroms Ermitteln eines zu einem Zeitpunkt (T_MIN) des lokalen Minimums (I_MIN) des erfassten Stroms korrespondierenden Schließpunkts.
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