DE19618932A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Regelung des Kraftstoffes in einem Hochdruckspeicher - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Regelung des Kraftstoffes in einem Hochdruckspeicher

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regelung des Kraftstoffdruckes in einem Hochdruckspeicher gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Regelung des Kraftstoffdruckes in einem Hochdruckspeicher gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
Hochdruckspeicher für Kraftstoff werden bei Common-Rail- Einspritzanlagen verwendet. Dabei wird von einer Hochdruck­ pumpe Kraftstoff in einen Hochdruckspeicher gepumpt und ausgehend von dem Hochdruckspeicher wird der Kraftstoff den einzelnen Einspritzdüsen zugeführt. Auf diese Weise wird ein hoher Einspritzdruck ermöglicht, der insbesondere bei der Einspritzung von Diesel die Partikelemission erniedrigt.
Aus EP 0 299 337 A2 ist bereits eine Vorrichtung zur Regelung des Kraftstoffdruckes in einem Hochdruckspeicher und ein Ver­ fahren zur Regelung des Kraftstoffdruckes in einem Hoch­ druckspeicher bekannt. Dabei wird Kraftstoff von einer Vor­ förderpumpe über eine regelbare Drossel einer Hochdruckpumpe zugeführt, die den Kraftstoff in den Hochdruckspeicher mit hohem Druck pumpt, wobei der Hochdruckspeicher den Kraftstoff an die Einspritzdüsen weiterleitet und über ein Sicher­ heitsdruckventil verfügt, das bei Überschreiten eines maximalen Druckes den Hochdruckspeicher mit dem Kraft­ stofftank verbindet. Die regelbare Drossel wird von einem Steuergerät in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine angesteuert, so daß eine Volumen­ stromregelung auf der Niederdruckseite durchgeführt wird.
Die beschriebene Vorrichtung und das beschriebene Verfahren haben den Nachteil, daß eine Druckerniedrigung im Hochdruck­ speicher nur relativ langsam erfolgen kann, da die regelbare Drossel nicht für eine Druckerniedrigung verwendbar ist.
Die Aufgabe der Erfindung beruht darin, eine Vorrichtung zur Regelung des Kraftstoffdruckes in einem Hochdruckspeicher und ein Verfahren zur Regelung des Kraftstoffdruckes in einem Hochdruckspeicher bereit zustellen, die eine schnelle Druck­ erniedrigung ermöglichen und zudem einen guten Wirkungsgrad aufweisen.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Vorrichtung des Anspruchs 1 und das Verfahren des Anspruchs 6 gelöst. Die Vorrichtung des Anspruchs 1 und das Verfahren nach Anspruch 6 bieten den Vorteil, daß quasistationäre Änderungen des Kraft­ stoffdruckes durch eine niederdruckseitige Volumenstrom­ regelung durchgeführt werden und dynamische Änderungen des Kraftstoffdruckes über eine hochdruckseitige Druckregelung durchgeführt werden. Auf diese Weise wird der Vorteil des hohen Wirkungsgrades einer niederdruckseitigen Volumenstrom­ regelung mit dem Vorteil der hohen Dynamik einer hochdruck­ seitigen Druckregelung verbunden und dadurch eine verbesserte Dynamik mit einem gegenüber einer hochdruckseitigen Druck­ regelung erhöhten Wirkungsgrad erzielt.
Vorteilhafte Ausbildungen und Verbesserungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Hochdruckspeicher mit einem vorgeschalteten Volumenstromregelventil,
Fig. 2 einen Hochdruckspeicher mit einer vorgeschalteten regelbaren Förderpumpe, und
Fig. 3 eine schematische Darstellung des Regelverfahrens.
Fig. 1 zeigt einen Tank 1, der über eine Kraftstoffzulauf­ leitung 2 mit einer Förderpumpe 4 verbunden ist. Die Förder­ pumpe 4, die nicht regelbar ist, ist über eine Förderleitung 5 und ein Regelventil 3 an einer Hochdruckpumpe 6 ange­ schlossen. Der Ausgang der Hochdruckpumpe 6 ist mit einem Hochdruckspeicher (Common-Rail) verbunden. Der Hochdruck­ speicher 7 weist eine Einspritzleitung 8 auf, die zu einem Injektor 9 einer Brennkraftmaschine 22 geführt ist. Der Hochdruckspeicher 7 ist über ein Druckregelventil 10 und über eine Kraftstoffrückleitung 11 mit dem Tank 1 verbunden.
Weiterhin ist am Hochdruckspeicher 7 ein Drucksensor 12 angeordnet, der über eine erste Meßleitung 13 mit einem ersten Regler 14 verbunden ist, der über eine erste Steuer­ leitung 15 mit dem Regelventil 3 in Verbindung steht. Der Drucksensor 12 ist zudem über eine zweite Meßleitung 16 mit einem zweiten Regler 17 verbunden, der über eine zweite Steuerleitung 18 mit dem Druckregelventil 10 in Verbindung steht.
Der erste Regler 14 und der zweite Regler 17 sind über eine erste Datenleitung 24 beziehungsweise über eine zweite Daten­ leitung 25 mit einer Recheneinheit 23 verbunden, die zudem über eine dritte Meßleitung 26 mit der Brennkraftmaschine 22 verbunden ist. Weiterhin weist die Recheneinheit 23 Eingangs­ leitungen 27 auf, mit denen verschiedene Eingangswerte wie zum Beispiel die Fahrpedalstellung des Kraftfahrzeugs aufge­ nommen werden. Anstelle des Drucksensors 12 kann in einer Weiterbildung der Erfindung ein zweiter Drucksensor 21 zur Versorgung des ersten Reglers 14 verwendet werden, der auf der Niederdruckseite vor der Hochdruckpumpe 6 in der Förder­ leitung 5 angeordnet ist und mit dem ersten Regler 14 verbun­ den ist. Das Regelventil 3 kann somit auch nach dem Druck in der Förderleitung 5 geregelt werden.
Fig. 2 zeigt eine Anordnung entsprechend Fig. 1, wobei jedoch anstelle der nicht regelbaren Förderpumpe 4 eine regelbare Förderpumpe 20 angeordnet ist, die über die erste Steuerleitung 15 von dem ersten Regler 14 gesteuert wird. Ein weiterer Unterschied besteht darin, daß das Regelventil 3 entfällt und anstelle des Regelventils 3 eine Konstantdrossel 19 zwischen der regelbaren Förderpumpe 20 und der Hochdruck­ pumpe 6 geschaltet ist. In den weiteren Details entspricht die Anordnung der Fig. 2 der Anordnung der Fig. 1, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.
Anstelle des Drucksensors 12 wird in einer Weiterbildung der Erfindung ein zweiter Drucksensor 21 zur Versorgung des ersten Reglers 14 verwendet werden, der auf der Nieder­ druckseite vor der Hochdruckpumpe 6 in der Förderleitung 5 angeordnet ist und mit dem ersten Regler 14 verbunden ist.
Die regelbare Förderpumpe 20 kann somit auch nach dem Druck in der Förderleitung 5 geregelt werden.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungs­ gemäßen Regelverfahrens. Für den Hochdruckspeicher ist entsprechend dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine 22 ein Solldruck PSOLL vorgegeben. In dem folgenden Beispiel wird davon ausgegangen, daß die Recheneinheit 23 aufgrund des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine 22, der beispiels­ weise die Drehzahl, die fast und die Abgaswerte beinhaltet, und unter Verwendung der von den Eingangsleitungen 27 zuge­ führten Eingangsdaten, wie zum Beispiel die Stellung des Fahrpedals, den Solldruck PSOLL für den Hochdruckspeicher 7 ermittelt und diesen einem ersten Vergleicher 31 und einem zweiten Vergleicher 32 vorgibt.
Der Drucksensor 12 gibt den derzeitigen Istdruck des Hoch­ druckspeichers 7 ebenfalls an den ersten Vergleicher 31 und an den zweiten Vergleicher 32 als Istdruck PIST. Der erste Vergleicher 31 und der zweite Vergleicher 32 subtrahieren von dem Solldruck den Istdruck und ermitteln daraus einen Diffe­ renzdruck PDIF: PSOLL - PIST = PDIF.
Der Differenzdruck PDIF wird von dem ersten Vergleicher 31 an den ersten Regler 14, der der Ausführung der Fig. 1 das Regelventil 3 oder in der Ausführung der Fig. 2 die regel­ bare Förderpumpe 20 ansteuert, und von dem zweiten Ver­ gleicher 32 an den zweiten Regler 17 geführt, der das Druckregelventil 10 ansteuert. Der erste Regler 14 ist vorzugsweise als PID-Regler ausgeführt, der aus dem Diffe­ renzdruck PDIF, der für die folgende Formel als aktuelle Regelabweichung e(k) bezeichnet ist, den aktuellen, ersten Reglereingriff u1(k) nach folgender Vorschrift berechnet:
wobei mit
u1(k) der aktueller Reglereingriff,
u1(k-1) der letze Reglereingriff,
e(k) die aktuelle Regelabweichung,
e(k-1) die vorletzte Regelabweichung,
K der Verstärkungsfaktor,
T₀ die Abtastzeit,
TD die Differenzierzeit und mit
T₁ die Integrierzeit bezeichnet ist.
Dabei betragen vorzugsweise der Verstärkungsfaktor K 0,2%/M pascal, die Abtastzeit T₀ 20 msek, die Differenzierzeit TD 10 msek und die Integrierzeit TI 70 msek.
Der zweite Regler 17 ist vorzugsweise als Zweipunkt-Regler ausgeführt, der den aktuellen, zweiten Reglereingriff u2(k) nach folgender Vorschrift berechnet:
wobei mit
y der stationäre Endwert der Sollgröße bei Regler im oberen Schaltpunkt,
K den Verstärkungsfaktor,
TZ die Periodendauer und
Te die Einschaltdauer bezeichnet sind.
Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung betragen der stationäre Endwert 60 M pascal, der Verstärkungsfaktor K 0,045%/M pascal, die Periodendauer Tz 2 msek und die Einschaltdauer 1 msek.
In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel schaltet der Zwei­ punkt-Regler 17 von seinem Nullwert auf den aktuellen Regler­ eingriff u2 (k), wenn PDIF über einem vorgegebenen Wert liegt, der vorzugsweise 100 bar beträgt.
Der aktuelle Reglereingriff u2(k) des Zweipunkt-Reglers 17 wird in einer bevorzugten Ausführung an den ersten Regler 14 übermittelt, der in Abhängigkeit von dem aktuellen Regler­ eingriff u2(k) des zweiten Reglers 17 den aktuellen Regler­ eingriff des ersten Reglers 14 korrigiert oder die Regelung stoppt.
Der aktuelle Reglereingriff des ersten und des zweiten Reglers 14, 15 werden der Regelstrecke 30 zugeführt, wobei der Drucksensor 12 und/oder der zweite Drucksensor 21 den Druck im Hochdruckspeicher oder vor dem Hochdruckspeicher ermittelt und als Istdruck PIST an den ersten und an den zweiten Vergleicher 31, 32 weitergibt. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, gibt der erste Regler 14 den aktuellen ersten Regeleingriff an das Regelventil 3 und der zweite Regler 17 den aktuellen zweiten Reglereingriff an das Druck­ ventil 10 weiter. In einer weiteren Ausführung der Erfindung regelt der erste Regler 14 mit dem aktuellen ersten Regel­ eingriff die regelbare Förderpumpe 20, wie in Fig. 2 dar­ gestellt.
Der erste und der zweite Regler 14, 17 sind wahlweise als Analog- oder Digitalregler ausgeführt.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Regelung des Kraftstoffdruckes in einem Hochdruckspeicher (7)
mit einem ersten Regler (14) für den Volumenstrom im Zufluß zu einer Hochdruckpumpe (6), die an den Hochdruckspeicher (7) angeschlossen ist,
mit einem ersten Drucksensor (12), der dem Hochdruckspeicher (7) zugeordnet ist und der den Kraftstoffdruck im Hochdruck­ speicher (7) dem ersten Regler (14) meldet, dadurch gekennzeichnet,
daß ein zweiter Regler (17) für den Kraftstoffdruck im Hoch­ druckspeicher (7) vorgesehen ist,
daß der erste Drucksensor (12) den Kraftstoffdruck im Hochdruckspeicher (7) an den zweiten Regler (17) meldet,
daß der erste Regler (14) ein kontinuierliches Regelverhalten aufweist, und
daß der zweite Regler (17) ein stufenweises Regelverhalten aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ausgang des zweiten Reglers (17) einem Eingang des ersten Reglers (14) zugeführt ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Regelung des Volumenstromes eine regelbare Förderpumpe (20) vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach der regelbaren Förderpumpe (20) eine Konstantdrossel (19) angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Hochdruckpumpe (6) ein zweiter Drucksensor (21) angeordnet ist, der über eine Meßleitung vorzugsweise anstelle des ersten Drucksensors (12) mit dem ersten Regler (14) verbunden ist.
6. Verfahren zur Regelung des Druckes in einem Hochdruck­ speicher (7) für Kraftstoff, wobei dem Hochdruckspeicher (7) über eine Hochdruckpumpe (6) Kraftstoff zugeführt wird und über eine Einspritzanlage (9) Kraftstoff abgeführt wird, wobei im Niederdruckbereich vor der Hochdruckpumpe (6) der Volumen­ strom des Kraftstoffes in Abhängigkeit vom Druck im Hochdruck­ speicher (9) geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Hochdruckbereich der Druck im Hochdruckspeicher (9) in Abhängigkeit vom Druck im Hochdruckspeicher (9) geregelt wird, daß der Volumenstrom des Kraftstoffes im Niederdruckbereich ge­ regelt wird, wenn der Druck im Hochdruckspeicher (7) kleiner ist als ein Auslösedruck, und daß der Druck im Hochdruckspei­ cher (7) geregelt wird, wenn der Druck im Hochdruckspeicher (7) größer als der Auslösedruck ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenstrom geregelt wird, wenn der Druck im Hoch­ druckspeicher (7) den Auslösedruck übersteigt.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumenstromregelung in Abhängigkeit von der Druck­ regelung erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslösedruck aus einer Summe aus einem Sollwert und einem Schwellwert ermittelt wird.
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