DE3011985A1

DE3011985A1 - Verfahren und vorrichtung zur durchflussmengensteuerung von stroemenden fluiden

Info

Publication number: DE3011985A1
Application number: DE19803011985
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Yamaguchi
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1979-03-29
Filing date: 1980-03-27
Publication date: 1980-10-02
Also published as: GB2046477B; FR2452742A1; DE3011985C2; US4325347A; GB2046477A; JPS55129810A; FR2452742B1

Description

TER MEER ■ MÖLLER ■ STEINME3STER NJBSah E D15-BD

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchflußmengensteuerung eines gasförmigen oder flüssigen Mediums (Fluid), wie im Gberbegriff von Patentanspruch 1 bzui. k angegeben.

In der bekannten Technik der genannten Art erfolgt die Fluid-Durchflußmengensteuerung in Verbindung mit einem in Stellung AUF ader ZU bringbaren elektromagnetischen Steuerventil, das mit einem Impulssignal von gewöhnlich konstanter Frequenz, jedoch mit einem mittels Impulsdauermodulation veränderten Tastverhältnis (d.h. verändertes Verhältnis zuiischen Impulsdauer und -pause innerhalb eines festen Zeitraumes) angesteuert wird.

Im Vergleich zu der Anwendung beispielsweise eines elektrohydraulischen Proportional-Servoventils als Steuerventil bietet die genannte Technik den Vorteil, daß sie den Aufbau einer relativ billigen Durchflußsteuervorrichtung erlaubt. In der Automobilindustrie wurde diese Technik z. B. zur Dosierung von Zusatzluft für die Regelung des Treib-2D stoff/Luftgemischs, oder zur Abgasrückleitung zwecks Reduzierung der Stickoxid-Emission angewandt.

Bei dem bekannten Verfahren zur Durchflußmengensteuerung wird das in den Stellungen AUF Dder ZU betreibbare elektromagnetische Steuerventil zur Erzielung der größten ader kleinsten Durchflußmenge mit einem Impulssignal-Nutzimpulsverhältnis von entweder 1DD% oder 0% angesteuert, so daß es entweder AUF oder ZU ist. Dabei ist das Impulssignal zeitweilig ein Dauersignal mit konstantem Pegel.

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TER MEER · MÖLLER · STEINMEISTER Nissan G 015-BD

In der Praxis führt die Anwendung von auf 1DD% und Ώ% festgelegten IMutzimpulsverhältnissen zu Problemen: der ordnungsgemäße Zustand der Impulszuführung und/oder des elektromagnetischen Uentils können nur schmierig geprüft werden, weil physikalisch kein Unterschied zwischen einem G% -Impulsverhältnis und einem Impulsausfall auf Grund eines Fehlers in der Steuereinheit feststellbar ist. Zur Funktionsprüfung des Uentils könnte eine Prüfung auf Spannungsänderungen an dessen Eingangsklemmen mittels eines einfachen Instrumentes wie z.B. eines Zählers eruiünscht sein. Da das Steuersignal aber nur ein Impulsverhältnis van 10D% oder 0% hat, treten an den Klemmen keine Spannungsänderungen auf, und der Zähler spricht nur jeweils bei einem Wechsel auf 1GO^ oder D% an. Die Zustände *\ΏΏ% und L)% on sicli sowie Fehler in der Impulaerzeugungsschaltung kann der Zähler nicht erkennen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein l/erfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß eine Überprüfung der ordnungsgemäßen Funktion des elektromagnetischen Steuerventils und der Impulserzeugungsschaltung jederzeit leicht und genau möglich ist.

Die erfindungsgemäße Lösung der gestellten Aufgabe ist verfahrensseitig im Patentanspruch 1 und vorrichtungsseitig im Patentanspruch k angegeben.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind in jeweils nachgeordneten Unteransprüchen genannt.

Ein wesentliches Herkmal der Erfindung besteht darin,

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daß der Kleinstwert des Nutzimpulsverhältnisses (für minimalen ader maximalen Durchfluß) etwas über 0%, und der Größtwert (für maximalen oder minimalen Durchfluß) etwas unter 100% gelegt ist.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, elektromagnetische Ventile vom AUF/ZU-Typ wegen der Trägheit ihrer beweglichen Elemente auch dann einen minimalen (ader, typabhängig, einen maximalen) Durchfluß aufweisen, wenn das IMutzimpulsverhältnis etwas größer als 0% ist, und andererseits auch dann einen maximalen (bzw., typabhängig, einen minimalen) Durchfluß haben, wenn das Nutzimpulsverhältnis etwas kleiner als 100% ist.

Die Erfindung bietet als wesentlichen Vorteil die Möglichkeit, z.B. eine Störung der Impulszuführung von einem korrekten IMutzimpulsverhältnis dadurch unterscheiden zu ■ können, daß an den Eingangsklemmen des Ventils periodische Spannungsänderungen auftreten, weil erfindungsgemäß selbst bei vorgegebenem minimalem oder maximalem Durchfluß nie ein Dauersignal vorkommt.

Vorzugsweise liegt der erste kritische üJert, bis zu dem der Kleinstwert des IMutzimpulsverhältnisses über 0% angehoben sein kann, bei 3%, und der zweite kritische lüert, bis zu dem der Größtwert des Nutzimpulaverhältnisses unter 100% liegen kann, bei 97%. Ferner sind die Kleinst- und Größtwerte für das Nutzimpulsverhältnis vorzugsweise als vorgegebene definierte LJerte festgelegt,

Nachstehend wird ein die Merkmale der Erfindung aufweisendes Ausführungsbeispiei unter Bezugnahme auf eine

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Zeichnung, die auch Angaben zum Stand der Technik enthält, näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines herkömmlichen elektromagnetischen Ventils,

Fig. 2 eine grafische Darstellung einer Charakteristik

des Ventils von Fig. 1,

Fig. 3 und k grafische Darstellungen der Unterschiede zwischen der herkömmlichen und der arfindungsgemäßen Ausbildung von Steuerimpuls-Signalen für das elektromagnetische Ventil

von Fig. 1,

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Abgasrückleitsystems einer Verbrennungskraftmaschine, welches erfindungsgemäß gesteuert wird, und

Fig. 6 einen partiellen Funktionsablaufplan einer Steuereinheit in dem System von Fig. 5.

In einem Ventilgehäuse 12 des in Fig. 1 schematisch dargestellten herkömmlichen elektromagnetischen Durchflußsteuerventils - nachstehend kurz Steuerventil 10 genannt - ist eine Erregerspule 1^ feBt installiert. Ein durch eine Mittelöffnung der Spule verschiebbarer beweglicher Hern 1B aus Eisen ist mit einem Ende an einer flexibelen Membran 16 befestigt, die den elektromechanischen Teil von einem zu regulierenden Fluidstram isoliert· (denn die Spule 1<+ durch Impulssignale aus einer Steuerschaltung 22 abwechselnd erregt und entregt wird, führt der Hern gemeinsam mit der Membran 16 eine Hin- und Herbewegung unter Einwirkung einer Rückholfeder 2U aus, bei der das Ventil geöffnet und geschlossen wird.

Zu diesem Zweck ist gegenüber der Membran 16 eine zwei Fluidkanäle 26a und 26b verbindende Öffnung 28 angeordnet, die infolge der Bewegung des Kerns 18 intermittierend durch ein an der Membran befestigtes Ventilelement geöffnet und geschlossen wird· Durch Verändern des Nutzimpulsverhält-

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nisses bei dem Impulssignal der Steuerschaltung 22 wird das Zeitverhältnis zwischen dem AUF-Zustand (geöffnet) und dem ZU-Zustand (geschlossen) des Ventils 1D variiert und damit die Durchflußmenge pro Zeiteinheit eines gasförmigen oder flüssigen Mediums (Fluid) durch das Ventil 1D reguliert werden.

Damit ändert sich die Durchflußmenge bei dem Ventil 10 praktisch proportional zu dem Nutzimpulsverhältnis der dem Ventil zugeführten Steuerimpulse, obwohl bei genauer Be-

1g trachtung von Fig. 2 ersichtlich ist, daß es nahe 0% und nahe 100% eine Abweichung von der Proportionalität gibt. Nach der durch Versuch ermittelten Operatians-Charakteristik eines herkömmlichen elektromagnetischen AUF/ZU-Steuerventils in Fig. 2 reicht der kleinste Durchfluß von 0% bis t.% und der größte Durchfluß von (1D0 - t„)% bis 100%.

Ursache dafür sind die Masse von Eisenkern 18, Membran 16 und Ventilelement Zk. Mit anderen Worten: Der (Mull- bzw. kleinste Durchfluß existiert nicht nur bei einem Nutzimpulsverhältnis von genau 0% sondern auch noch bis zu einem ein paar % großen kritischen Wert t., und in ähnlicher Weise reicht der größte Durchflußbereich von (1oo - t„)% bis 100%

wobei t_ ein paar % beträgt.

Erfindungsgemäß werden bewußt die genauen Werte von 0% und 1do% des Impulssignal-Nutzverhältnisses vermieden. Statt dessen liegt das Nutzimpulsverhältnis zur Erzielung der

kleinsten (oder, typabhängig, ggf. größten) Durchflußmenge über 0%, jedoch nicht höher als der kritische üJert t.%, und zur Erzielung der größten (oder, typabhängig, ggf. kleinsten) Durchflußmenge unterhalb 100%, jedoch nicht unter 3G dem kritischen Wert t„%. Für den größten Teil herkömmlicher

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elektromagnetischer AUF/ZU-Ventile liegen die numerischen Werte von t und t um 3%. Darum uiird bei einem erfindungsgemäßen Verfahren das Impulssignal-Nutzverhältnis, als typisches Beispiel, zwischen 2% und 98% geändert.

In Fig. 3 sind das herkömmliche und das erfindungsgemäße

Verfahren zur Durchflußmengensteuerung zur Erzielung eines minimalen Durchflusses durch die Öffnung 28 grafisch gegenübergestellt. Während das Steuerventil 1G nach bekannter Methode mit einem Q UoIt Dauersignal bei einem Mutzimpuls-IG verhältnis von Q% gesteuert wird, erfolgt in diesem Fall erfindungsgemäß die Einspeisung eines Impulssignals mit einem IMutzverhältnis von z.B. 2%, so daß an den Eingangsklemmen des Ventils 10 Amplituden einer Spannung Ucc mit der Impulssignal-Frequenz auftreten. Gemäß Fig. k erhält das Ventil 10 nach herkömmlicher Methode für maximalen Durchsatz ein hochliegendes Dauersignal von Vcc Volt, d.h. ein Nutzimpulsverhältnis von 100%. Dagegen wird erfindungsgemäß ein Nutzimpulsverhältnis von z.B. 98% eingespeist, und dabei tritt die mit der Impulssignal-Frequenz unterbrochene Spannung Vcc auf.

Somit können bei dem erfindungsgemäßen Steuerungsverfahren beide Betriebszustände bzw. Nutzimpulsverhältnisse von 2% (Fig. 3) und 98% (Fig. k) durch Prüfen der dabei an den Klemmen des Ventils 10 auftretenden Spannungsunterbrechungen mit einem gewöhnlichen Instrument wie einem Zähler leicht überwacht werden. Diese Möglichkeit besteht bei dem bekannten Verfahren nicht, die dabei vorkommenden Dauersignale sind von Fehlerzuständen nicht unterscheidbar.

Nachstehend wird ein praktisches Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Durchflußmengensteuerung

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in Verbindung mit dem in Fig. 5 dargestellten Abgasrückleitungssystem einer Verbrennungskraftmaschine 3G beschrieben. Zwecks Reduzierung der Emission won Stickoxiden ujird ein Teil der Abgase durch die Brennkammern der Maschine 30 rückgeleitet, nämlich durch einen von einem Abgaskanal 3k abzweigenden Abgas-Rückleitkanal 36 in einen Eingangskanal 32, die Einmündung liegt in Strömungsrichtung hinter einem Hauptdrosselventil kB. Die Durchflußmenge des rückgeleiten Abgases durch den Rückleitkanal 3k wird abhängig von den Betriebszuständen der Maschine 30 durch ein Regelventil 38 kontrolliert.

In dem als bekanntes Unterdruckventil ausgebildeten Regelventil 3a bildet eine flexibele Membran 40 eine an eine variabelE Unterdruckquelle angeschlossene Unterdruckkammer kk und trägt auf ihrer anderen Seite einen Ventilkörper k2. Die Unterdruckkammer kk ist über eine Leitung kS mit einer ein Stück hinter dem Drosselventil kB liegenden Stelle des im Betrieb der Maschine 30 mit einem Unterdruck wechselnder Intensität beaufschlagten Eingangskanals 32 verbunden. Ein im Mittelbereich dee Leitung 46 befindliches Druckreservoir 50 dient der Erhaltung eines praktisch konstanten Unterdruckwertes, und zwischen dem Druckreservoir 50 und der Unterdruckkammer kk ist das elektromagnetische Steuerventil 10 an die Leitung kG angeschlossen, um unter Einleitung eivariabelen Luftmenge in die Leitung k6 die Größe des von dem Reservoir 50 zur Unterdruckkammer kk überdragenen Unterdrucks zu modulieren. Das im wesentlichen der in Fig. 1 dargestellten Ausführung entsprechende Steuerventil 10 vom AUF/ZU-Typ wird durch Impulssignale von konstanter Frequenz aus einer Steuereinheit 5k angesteuert und steuert seinerseits über den Unterdruck in der Leitung kG das Regelventil 38 so an,

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daß die Abgasrückleitung durch den Abgas-Rückleitkanal 36 optimal an die sich ändernden Betriebszustände der Maschine 3D angepaßt tuird.

Das Abgasrückleitungssystem umfaßt mehrere Fühler zur Erfassung jeweils eines Betriebs-Parameters der Maschine 3D, z.B. einen Fühler 56 zur Abtastung der Ansaugluftmenge, die durch den Eingangskanal 32 gesaugt tdird, und einen Fühler 58 für die Maschinendrehzahl. Van den Fühlern 56, 58 abgegebene und den abgetasteten Parametern entsprechende Ausgangssignale werden einer aus je einer Ein-/Ausgangsstufε 54a, einem Mikroprozessor 54b,einem Speicher 54c und einem Impulsgenerator 54d bestehenden Steuereinheit 54 zugeleitet, welche folgende Aufgaben hat:

Speicherung einer optimalen Abgasrückleitungs-Charakteristik in bezug auf den Betriebsablauf der Maschine;

Ermittlung der jeweiligen Maschinen-Betriebsbedingungen auf der Basis der Ausgänge der Fühler 56, 58; Lüahl der den Maschinen-Betriebsbedingungen jeweils angemessenen Abgas-Rückleitmenge unter Bezugnahme auf die 2D gespeicherte Rückleitungs-Charakteristik; und l/orgabe eines zur Realisierung der gewählten Abgasrückleitungsmenge erforderlichen Nutzimpulsverhältnisses für das von der Steuereinheit an das Steuerventil 1D abgegebene Impulssignal. . ,

In der Steuereinheit 54^vein diesem ermittelten Nutzimpulsverhältnis entsprechendes Signal noch mit einem Korrekturfaktor multipliziert, und mit dem daraus resultierenden Signal wird das Steuerventil 1D angesteuert. Erfindungsgemäß wird dieses korrigierte Signal jedoch noch einer in 3D dem Flußdiagramm von Fig. 6 dargestellten logischen Operation unterzogen, um zu verhüten, daß das Steuerimpuls-Nutz-

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verhältnis für einen geuünschten Maximal-Durchfluß den LJert 100%, und für eine geuünschtEn Minimal-DurchfIuB den LJErt 0% annimmt. Gemäß Fig. 6 uiird der modulierte Nutzimpulsverhältnis-üJert "A" direkt als von der Steuereinheit 5^ ausgegebenes IMutzverhältnis des Steuerimpulssignals verwsndet, falls dieser liJert "A" in einen Bereich zwischen einem festgelegten oberen Grenzwert wie 98% (etwas<100%) und einem festgelegten unteren Grenzwert wie 2% (etwas> 0%) fällt. Das Programm der logischen Operation ist so festgelegt, daß die Steuereinheit 5^ als IMutzverhältnis des Steuerimpulssignals den oberen Grenzwert (z.B. 98%) ausgibt, wenn der Uert "A" größer als dieser Grenzwert sein sollte, und aHderersEits als IMutzimpulsverhältnis den unteren Grenzwert (z.B. 2%) ausgibt, wenn der Uert "A" kleiner als dieset Grenzwert ist.

Auf diese Ueise ist es möglich, auch mit einem IMutzvErhMltnis von 9B% (statt 100%) des SteuErimpulssignals einen maximalen Luftdurchsatz in der Leitung kG von Fig. 5 über das Steuerventil 10 zu erreichen (damit die Abgas-Rtickleitung durch den Kanal 36 einen Minimalwert annimmt), und andererseits auch mit einem IMutzimpulsverhMltnia von 2% (statt 0%) einen minimalen LuftdurchaatzCfür eine maximale Abgasrückleitung in Kanal 36) zu erzielen.

Unter Anwendung dieses erfindungagemMßen Uerfahrtne kann jederzeit und unabhängig von den BetriebezuatBnden des elektromagnetischen Steuerventils 10 die ordnungsgemäße Funktion des Steuerventile 10 und der Steuereinheit 5U Überprüft werden.

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Claims

PAT E N TA N WA LTE

TER MEER - MÜLLER - STEINMEISTER

Baim Europalachen Patentamt zugelassene Vertreter Prof. Representatives before the European Patent Office - Mandatalres «grids pres !Office european dts brevats

Dipl.-Chem. Dr. N. ter Meer Dipl.-lng. H. Steinmeister

Dipl.-ing. F. E. Müller qi^,,,,,,,, ₇

Triftstrasse 4, Siekerwall7,

D-8000 MÜNCHEN 22 D-4800 BIELEFELD

Case: G 015-80

Mü/Gdt 27. März 1980

NISSAN MOTOR COMPANY, LTD.

No.2, Takara-cho, Kanagawa-ku,

Yokohama City,Japan

Verfahren und Vorrichtung zur Durchflußmengensteuerung von strömenden Fluiden

Priorität: 29. März 1979 - Japan - No. 37543/1979

PATENTANSPRÜCHE

1.) Verfahren zur Durchflußmengensteuerung eines strömenden, flüssigen oder gasförmigen Mediums (Fluids) durch Beaufschlagen eines elektromagnetischen Steuerventils mit den Stellbefehlen AUF und ZU durch ein Impulssignal konstanter Frequenz, dessen Nutzimpulsverhältnis zur Veränderung der öffnungs- und Schließzeiten des Ventils veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet , daß der Kleinstwert des Nutzimpulsverhältnisses für einen

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minimalen (oder.ggf. maximalen) Durchfluß größer als Q% aber nicht größer als ein wenig über 0% liegender erster kritischer W_ert (t.), und der Größtwert des Nutzimpulsverhältnisses für einen maximalen (oder ggf. minimalen) Durchfluß kleiner als 100% aber nicht kleiner als ein wenig unter 100% liegender zweiter kritischer Wert (t_) sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der erste kritische Wert 3% und der zweite kritische Wert 97% betragen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die Kleinst- und Größtwerte des Nutzimpulsverhältnisses jeweils vorgegebene definierte liierte sind.

h. Vorrichtung zur Durchflußmengensteuerung eines Fluid, mit einem die Stellungen AUF oder ZU einnehmenden elektromagnetischen Steuerventil, welches in einem Fluidkanal angeordnet ist und die Fluiddurchflußmenge in Abhängigkeit von einem Verhältnis zwischen den Öffnungs- und Schließzeiten des Steuerventils ändert, wobei dieses Verhältnis durch das Nutzimpulsverhältnis eines dem Steuerventil von einer Steuereinheit zugeführten Impulssignals mit konstanter Frequenz bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kleinstwert des Nutzimpulsverhältni33es für einen minimalen (oder ggf. maximalen) Durchfluß größer als 0% aber nicht größer als ein etwas über 0% liegender erster kritischer Wert (O, und der Größtwert dee' Nutzimpulsverhältnisses für einen maximalen (oder ggf. minimalen) Durchfluß kleiner als 1GO56 aber nicht kleiner als ein etwas unter 100% liegender zweiter kritischer Wert (t_?) sind.

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5. Vorrichtung nach Anspruch k,

dadurch gekennzeichnet, daß der erste kritische Wert 3% und der zweite kritische liiert 97% betragen.

6. Vorrichtung nach Anspruch k oder 5,

dadurch gekennzeichnet, daß die Kleinst- und Größtwerte des Nutzimpulsverhältnisses jeweils vorgegebene definierte Werte sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche it bis 6, gekennzeichnet durch

- eine erste Einrichtung (56,58) zur Ermittlung eines provisorischen Nutzimpulsverhältnis-Lüertes auf der Basis eines gewünschten Durchflußmengenwertes, und

- eine zweite Einrichtung (5*0, welche den provisori^. sehen Wert mit den vorgegebenen Kleinst- und Größtwerten des Nutzimpulsverhältnisses vergleicht und den provisorischen Wert nur in dem Fall als das Nutzimpulsverhältnis für das Impulssignal verwendet, wenn dieser provisorische Wert in den Bereich zwischen den vorgegebenen Kleinst- und Größtwerten fällt, jedoch den vorgegebenen Kleinstwert oder den vorgegebenen Größtwert des Nutzimpulsverhältnisses verwendet, falls der provisorische liiert kleiner als der vorgegebene Kleinstwert bzw. größer als der vorgegebene Größtwert ist.

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