DE19802583A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Druckregeln in Speichereinspritzsystemen mit einem elektromagnetisch betätigten Druckstellglied - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum Druckregeln in Speichereinspritzsystemen mit einem elektromagnetisch betätigten Druckstellglied

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Regeln eines Drucks in einem Hochdruckspeicher für Kraftstoffeinspritzsysteme mit einem Druckstellglied, das einen von einem elektromagnetischen Antrieb betätigten Ab­ sperrkörper aufweist.
Auf dem Gebiet der Kraftstoffeinspritzsysteme für Brenn­ kraftmaschinen sind in den letzten Jahren zunehmend Hoch­ druckspeicherkonzepte in den Vordergrund gerückt, die im we­ sentlichen aus einer Hochdruckpumpe, einem Hochdruckspeicher, Einspritzventilen und einer elektronischen Steuereinrichtung mit Sensoren bestehen.
Um den Druck im Hochdruckspeicher, der den Einspritz­ druck bestimmt, präzise und schnell an die jeweiligen Be­ triebsbedingungen der Brennkraftmaschine anpassen zu können, ist der Hochdruckspeicher weiterhin mit einem Druckstellglied versehen, über das überschüssiger Kraftstoff, der nicht zur Aufrechterhaltung des gewünschten Druckes im Hochdruckspei­ cher benötigt wird, in den Kraftstoffvorratsbehälter zurück­ geführt wird.
Der Haltedruck im Druckstellglied wird von der elektro­ nischen Steuereinheit der Brennkraftmaschine entsprechend ei­ nem von einem Drucksensor im Hochdruckspeicher gemessenen Istwert und dem im jeweiligen Betriebszustand der Brennkraft­ maschine gewünschten Sollwert geregelt.
Da die in den Druckstellgliedern verwendeten Magnetspu­ len aus einem leitenden Werkstoff gefertigt sind, dessen spe­ zifischer Widerstand temperaturabhängig ist, wird der durch die Magnetspule fließende Strom und damit auch die auf den Absperrkörper wirkende Ankerkraft durch die Spulentemperatur beeinflußt. Die Temperaturerhöhung führt wiederum wegen des sich durch den temperaturabhängigen Widerstand in der Spulen­ wicklung zu einer Änderung des durch die Magnetspule fließen­ den Stroms und damit der resultierenden Haltekraft im Druck­ stellglied. Die Haltekraft sinkt im allgemeinen ab, da die verwendeten Spulenwerkstoffe meistens Leiter sind, bei denen der Widerstand bei einer Temperaturerhöhung ansteigt, was zu einer Stromabsenkung führt.
Da aber die durch die Spulentemperatur hervorgerufene Änderung der Haltekraft des Absperrkörpers im Druckstellglied den Druck im Hochdruckspeicher beeinflußt, muß die Druck­ stellglied-Regeleinheit der elektronischen Steuereinheit der Brennkraftmaschine eine Nachregelung vornehmen, um den ge­ wünschten Druck im Druckspeicher einstellen zu können. Diese Nachregelung führt jedoch zu einer Verschlechterung der Re­ geldynamik des Druckstellglied, so daß der für die Betriebs­ bedingung optimale Druck im Hochdruckspeicher nur verzögert erreicht wird. Um hierbei keine zu große Verzögerung bei der Druckregelung im Hochdruckspeicher auftreten zu lassen, wer­ den bei den im Stand der Technik verwendeten PI-Reglern für das Druckstellglied im allgemeinen weite Regelbereichsgrenzen verwendet, so daß sich ausreichende Stellgeschwindigkeiten bei der Druckregelung ergeben. Solche hohen Stellgeschwindig­ keiten vergrößern jedoch die Gefahr eines Überschwingens bei der Druckregelung und beeinträchtigen somit die Stabilität des Regelkreises. Außerdem führen große Stellgeschwindigkei­ ten oft zu sehr hohen Stromspitzen in der Magnetspule des Druckstellgliedes, die Beschädigungen hervorrufen können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Druckregeln in einem Spei­ chereinspritzsystem mit einem elektromagnetisch betätigten Druckstellglied bereitzustellen, die für eine optimale Regel­ dynamik sorgen und gleichzeitig zuverlässig Beschädigungen des elektromagnetischen Antriebs des Druckstellgliedes ver­ meiden.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 5 gelöst. Gemäß der Erfin­ dung wird ein Druckstellglied über eine Kaskadenregelung ein­ gestellt, wobei eine erste Regeleinrichtung einen in einem Hochdruckspeicher erfaßten Druckwert mit einem Sollwert ver­ gleicht und abhängig von diesem Vergleich ein Ansteuersignal mit einem Sollstromwert für eine Magnetspule des elektroma­ gnetisch betätigen Druckstellgliedes bestimmt und eine zweite nachgeschalteten Regeleinrichtung einen in der Magnetspule fließenden Stromwert erfaßt und mit dem Stromsollwert ver­ gleicht und abhängig von diesem Vergleich eine Anpassung des Stromwertes in der Magnetspule vornimmt. Durch diese erfin­ dungsgemäße Kaskadenregelung des elektromagnetisch angetrie­ benen Druckstellgliedes, wobei eine zusätzliche Nachregelung des durch die Magnetspule fließenden Stroms erfolgt, läßt sich dessen Abhängigkeit von der Spulentemperatur einfach ausregeln und somit Regelverzögerungen bei der Druckeinstel­ lung im Hochdruckspeicher verkürzen. Weiterhin zeichnet sich die erfindungsgemäße Regelung durch eine hohe Regelstabilität aus, da bereits bei kleinen Stellgeschwindigkeiten des Druck­ stellgliedes eine ausreichende Regeldynamik erzielt wird. Darüber hinaus werden auch hohe Stromspitzen in der Magnet­ spule, die zu einer Beschädigung führen könnten, vermieden.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Kraftstoff­ einspritzsystems;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Druckregel­ ventils; und
Fig. 3 eine schematische Blockdarstellung der erfin­ dungsgemäßen Druckregelung.
Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Kraftstoff­ einspritzsystems, wie es unter der Bezeichnung Common-Rail- System vor allem bei Dieselmotoren eingesetzt wird. Bei die­ sem Einspritzsystem wird Kraftstoff aus einem Kraftstoffvor­ ratsbehälter 10 über eine Kraftstoffleitung 11 mittels einer Vorförderpumpe 12 angesaugt und von dieser über ein Kraft­ stoffilter 13 zu einer Hochdruckpumpe 15 gefördert. Die Hoch­ druckpumpe 15 speist den Kraftstoff dann unter hohem Druck in einen Hochdruckspeicher 17 ein. Der Hochdruckspeicher 17 steht mit Einspritzventilen 18 in Verbindung, über die der Kraftstoff in die Zylinder der Brennkraftmaschine (nicht ge­ zeigt) eingespritzt wird. Der Einspritzvorgang wird durch ei­ ne elektronische Steuereinheit 19 ausgelöst, die über Signal­ leitungen 20 mit den Einspritzventilen 18 verbunden ist. Der in den Einspritzventilen 18 auftretende Leckagestrom wird über Kraftstoffleitungen 21 in den Kraftstoffbehälter 10 zu­ rückgeführt.
Um den Volumenstrom der Hochdruckpumpe 15 entsprechend den jeweiligen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine be­ darfsabhängig einstellen zu können, ist bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform in der Kraftstoffleitung 11 zwi­ schen der Vorförderpumpe 12 und der Hochdruckpumpe 15 ein zu­ sätzliches Saugdrosselventil 14 angeordnet, das von der elek­ tronischen Steuereinheit 19 über eine Steuerleitung 22 ange­ steuert wird und den Förderstrom der Hochdruckpumpe 15 re­ gelt.
Für die Druckregelung im Hochdruckspeicher 17 entspre­ chend den gewünschten Betriebsbedingungen der Brennkraftma­ schine, ist weiterhin zwischen der Hochdruckpumpe 15 und dem Druckspeicher 17 ein Druckregelventil 16 in die Kraftstoff­ leitung 11 geschaltet. Dieses Druckregelventil 16 steuert über eine Kraftstoffleitung 25 überschüssigen Kraftstoff, der nicht zur Aufrechterhaltung des im Hochdruckspeicher 17 ge­ wünschten Drucks benötigt wird, in den Kraftstoffvorratsbe­ hälter 10 ab. Das Druckregelventil 16 wird dabei von der elektronischen Steuereinheit 19 mittels einer integrierten Regeleinheit über eine Steuerleitung 24 entsprechend einem Druck, der von einem am Druckspeicher 17 angebrachten Druck­ sensor 23 gemessen wird, eingestellt.
Fig. 2 zeigt schematisch den Aufbau des Druckregelven­ tils 16. Dieses Druckregelventil 16 weist ein Ventilgehäuse 161 mit einer Einlaßöffnung 162 auf, die über eine Kraft­ stoffleitung 111 mit dem Hochdruckspeicher 17 verbunden ist. Im Ventilgehäuse 161 ist weiterhin eine Auslaßöffnung 168 an­ gebracht, die an die in den Kraftstoffvorratsbehälter 10 rückführende Kraftstoffleitung 25 angeschlossen ist. Die Ein­ laßöffnung 162 weist einen sich kegelförmig nach innen öff­ nenden Dichtsitz auf, in den ein ebenfalls kegelförmig ausge­ bildeter Absperrkörper 163 eingreift. Dieser Absperrkörper 163 sitzt mit seiner Grundfläche auf einem Ende einer Schließstange 164, die mit ihrem anderen Ende durch eine Boh­ rung aus dem Ventilgehäuse 161 herausragt. Zwischen dem Ven­ tilgehäuse 161 und der Grundfläche des Absperrkörpers 163 ist weiterhin um die Schließstange 164 herum eine Ventilfeder 166 angeordnet, die den Absperrkörper mit einer Federvorspannung belegt. An dem aus dem Ventilgehäuse 161 herausragenden Ende der Schließstange 164 befindet sich ein Magnetanker 165, wo­ bei zwischen diesem Magnetanker 165 und dem Ventilgehäuse 161 um die Schließstange 164 herum eine stromführende Magnetspule 167 vorgesehen ist.
Das in Fig. 2 schematisch gezeigte Druckregelventil 16 arbeitet wie folgt: In Schließrichtung wirkt auf den Absperr­ körper 163 eine Haltekraft, die sich aus der von der Feder 166 beaufschlagten Federkraft und der von der stromführenden Magnetspule 167 erzeugte Ankerkraft zusammensetzt. In Öff­ nungsrichtung dagegen greift am Absperrkörper 167 der im Hochdruckspeicher 17 herrschende Kraftstoffdruck über die Kraftstoffleitung 111 an. Überschreitet die aus dem Kraft­ stoffdruck resultierende Druckkraft auf den Absperrkörper 163 die entgegenwirkende Haltekraft von Feder 166 und Magnetanker 165, so hebt der Absperrkörper 163 aus dem Dichtsitz in der Einlaßöffnung 162 ab und steuert den überschüssigen Kraft­ stoff aus dem Hochdruckspeicher 17 über die Kraftstoffleitung 25 zurück in den Kraftstoffvorratsbehälter 10. Durch Ändern der Bestromung der Magnetspule 167 kann die Ankerkraft und damit die dem Kraftstoffdruck entgegenwirkende Haltekraft auf den Absperrkörper 163 eingestellt werden.
Die Magnetspule 167 des Druckregelventils 16 wird im allgemeinen mit einem pulsweiten-modulierten Ansteuersignal von der Regeleinheit der elektronischen Steuereinheit 19 be­ aufschlagt. Durch Ändern des Tastverhältnisses dieses puls­ weiten-modulierten Ansteuersignals und damit der Stromimpuls­ dauer für die Magnetspule 167 paßt die Regeleinheit der elek­ tronischen Steuereinheit 19, die Ankerkraft und damit die Haltekraft des Druckregelventils 16 an den gewünschten Druck im Hochdruckspeicher 17 an.
Die Regeleinheit der elektronischen Steuereinheit 19 be­ steht, wie das Blockschaltbild in Fig. 3 zeigt, aus einer Kaskadenschaltung eines Reglers 191 und eines nachgeschalte­ ten Stromreglers 192, wobei folgender Regelvorgang durchge­ führt wird: Der im Hochdruckspeicher 17 herrschende Druck wird von der im Hochdruckspeicher enthaltenen Kraftstoffmenge bestimmt. Diese Kraftstoffmenge setzt sich aus dem durch die Hochdruckpumpe 15 eingespeisten Kraftstoffstrom, der während der Einspritzung abgegebenen Einspritzmenge, den über die Einspritzventile abfließenden Leckagestrom und den über das Druckregelventil 16 abgesteuerten Kraftstoff zusammen, wobei sowohl der Leckagestrom der Einspritzventile als auch die über das Druckregelventil 16 abgesteuerte Kraftstoffmenge vom im Hochdruckspeicher 17 herrschenden Kraftstoffdruck abhän­ gen.
Zur Regelung des Druckregelventils 16 wird, wie das Blockschaltbild in Fig. 3 weiter zeigt, der im Hochdruck­ speicher 17 mit Hilfe des Drucksensors 23 bestimmte Druckwert mit einem Solldruckwert im Regler 191 der elektronischen Steuereinheit 19 verglichen. Den Solldruckwert entnimmt die elektronische Steuereinheit 19 einer als ein- oder mehrdimen­ sionales Datenfeld ausgelegten Speichereinrichtung entspre­ chend den Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine, insbe­ sondere deren Last oder Drehzahl. Der Regler 191, der vor­ zugsweise als PI-Regler ausgebildet ist, ermittelt aus dem Differenzdruckwert, der sich aus einer Subtraktion des Drucksollwertes von dem im Hochdruckspeicher 17 gemessenen Kraftstoffdruck ergibt, einen Reglerwert TV nach folgender Formel:
pdif = Differenzdruckwert;
Kp = ein vorgebener Verstärkungsfaktor;
Tn = eine vorgegebene Nachstellzeit.
Der Verstärkungsfaktor und die Nachstellzeit werden da­ bei entsprechend dem gewünschten Regelverhalten des Druckre­ gelventils 16 vorgegeben. Der berechnete Regelwert TV stellt ein Tastverhältnis des pulsweiten-modulierten Ansteuersignals für die stromführende Magnetspule 167 des Druckregelventils 16 dar, wobei das Tastverhältnis das Verhältnis von Impuls­ dauer, d. h. der Zeit, bei der die Magnetspule 167 mit Strom versorgt wird, zur Periodendauer, also dem Abstand zwischen zwei Stromimpulsen, wiedergibt. Der an die stromführenden Ma­ gnetspule 167 abgegebene Regelwert weist dabei weiterhin ei­ nen festen Stromwert auf. Durch die Bestromung der Magnet­ spule 167 wird im Druckregelventil 16 über den Magnetanker 165 eine Ankerkraft auf den Absperrkörper 163 ausgeübt, die zusammen mit der Federkraft 166 die dem Kraftstoffdruck ent­ gegenwirkende Maltekraft des Absperrkörpers 163 bestimmt. Der sich aus dem Kräftegleichgewicht auf den Absperrkörper 163 ergebende freie Strömungsquerschnitt durch die Einlaßöffnung 162 des Druckregelventils legt den über das Druckregelventil 16 abgeführten Kraftstoffstrom und damit den im Hochdruck­ speicher 17 herrschenden Druck fest.
Der durch die Magnetspule 167 fließende Strom führt je­ doch zu einer Wärmeentwicklung in der Magnetspule 16 aufgrund der in den stromführenden Spulenelementen auftretenden Wider­ standsheizung. Diese Wärmeentwicklung beeinflußt wiederum den temperaturabhängigen spezifischen Widerstand der stromführen­ den Elemente in der Magnetspule 16, wobei bei den herkömmli­ cherweise verwendeten stromführenden Elementen der Widerstand mit der Temperatur ansteigt. Dieser durch die Wärmeentwick­ lung hervorgerufene Anstieg des Widerstandes in den stromfüh­ renden Spulenelementen führt wiederum zu einer Absenkung des durch die Magnetspule 167 fließenden Stromwertes. Als Folge dieser Absenkung des Stromwertes vermindert sich jedoch die am Absperrkörper 163 angreifende Ankerkraft, was zu einer Druckerhöhung im Hochdruckspeicher 17 führt.
Um die durch die Temperaturabhängigkeit des durch die Magnetspule 167 fließenden Stroms hervorgerufene Regelabwei­ chung auszugleichen, wird der durch die Spule fließende Stromwert mittels eines Strommessers 193 bestimmt und in ei­ nem Stromregler 192 mit dem Sollstromwert verglichen. Dieser Stromregler 192 gleicht dann eine Differenz zwischen dem ge­ messenen Stromwert und dem Sollstromwert durch eine zusätzli­ che Stromabgabe an die Magnetspule 167 aus, so daß sich wie­ der die gewünschte Haltekraft im Druckregelventil 16 ein­ stellt.
Durch die erfindungsgemäße zusätzliche Meßgröße Magnet­ stromwert und deren Nachregelung in einem Unterregelkreis werden die durch die Temperaturabhängigkeit des durch die Ma­ gnetspule fließenden Stroms hervorgerufenen Störeinflüsse auf die Regelung des Druckregelventils 16 kompensiert, so daß sich ein sehr schneller Regelkreis mit einer hohen Regeldyna­ mik ergibt. Der PI-Regler 191, der Strommesser 193 und der Stromregler 192 können dabei auch, statt in die elektronische Steuereinheit 19, direkt in das Druckregelventil 16 inte­ griert werden. Weiterhin läßt sich die erfindungsgemäße Druckregelung bei allen Arten von Druckregelorganen mit elek­ tromagnetischem Antrieb in Brennkraftmaschinen durchführen.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Regeln des Drucks in einem Hochdruck­ speicher (17) für ein Kraftstoffeinspritzsystem mit einem Druckstellglied (16), das einen von einem elektromagnetischen Antrieb (165, 167) betätigten Absperrkörper (163) aufweist,
einer ersten Regeleinrichtung (191), die einen im Hoch­ druckspeicher (17) erfaßten Druckwert mit einem vorgegebenen Solldruckwert vergleicht und abhängig von diesem Vergleichs­ ergebnis ein Ansteuersignal mit einem Sollstromwert für den elektromagnetischen Antrieb des Druckstellgliedes bestimmt, und
einer zweiten Regeleinrichtung (192), die der ersten Re­ geleinrichtung nachgeschaltet ist und einen im elektromagne­ tischen Antrieb des Druckstellglieds erfaßten Stromwert mit dem vorgegebenen Sollstromwert vergleicht und bei einer Ab­ weichung des durch den elektromagnetischen Antrieb des Druck­ stellgliedes fließenden Stromwert vom Sollstromwert diesen nachregelt.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die erste Regelein­ richtung (191) ein PI-Regler und die zweite Regeleinrichtung (192) ein Stromregler ist.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Re­ geleinrichtung (191) ein Tastverhältnis für ein pulsweiten­ moduliertes Ansteuersignal für den elektromagnetischen An­ trieb des Druckstellgliedes (16) einstellt.
4. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der elektromagnetische Antrieb des Druckstellgliedes eine strom­ führende Magnetspule (167) aufweist, die einen mit dem Ab­ sperrkörper (163) des Druckstellgliedes verbundenen Magnetan­ ker (165) bewegt.
5. Verfahren zum Regeln des Drucks in einem Hochdruckspei­ cher (17) für ein Kraftstoffeinspritzsystem mit einem Druck­ stellglied (16) das einen von einem elektromagnetischen An­ trieb (165, 167) betätigten Absperrkörper (163) aufweist, mit den Verfahrensschritten:
Vergleichen des im Hochdruckspeicher (17) erfaßten Druckwertes mit einem vorgegebenen Solldruckwert;
Bestimmen eines Ansteuersignals mit einem Sollstromwert für den elektromagnetischen Antrieb des Druckstellgliedes in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis;
Erfassen des im elektromagnetischen Antrieb des Druck­ stellgliedes fließenden Stromwertes; und
Anpassen des durch den elektromagnetischen Antrieb des Druckstellgliedes fließenden Stromwertes an den vorgegebenen Sollstromwert.
6. Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei das Ansteuersignal mit dem Sollstromwert für den elektromagnetischen Antrieb (165, 167) des Druckstellgliedes (16) mittels einer PI-Regelung be­ stimmt wird.
7. Verfahren gemäß Anspruch 5 oder 6, wobei das Ansteuer­ signal für den elektromagnetischen Antrieb (165, 167) des Druckstellgliedes (16) ein pulsweiten-moduliertes Signal ist und die Regelung durch Änderung des Taktverhältnisses dieses pulsweiten-modulierten Signals erfolgt.
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