Beschreibung
Anordnung und Verfahren zur Regelung eines Steuerventils für ein Diesel-Emspritzsystem
Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Regelung eines Steuerventils für ein Diesel-Em- spπtzsystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 3. Eine solche Anordnung und ein solches Verfahren sind aus der US-PS 5 640 987 bekannt.
Der Dieselmotor mit Direkteinspritzung ist die Verbrennungskraftmaschine mit dem höchsten thermodynamischen Wirkungsgrad. Hinsichtlich der Kraftstoffeinspritzung sind für verschiedene Motoren unterschiedliche Technologien im Einsatz. Besonders im NKW-Bereich haben sich Systeme mit
Druckubersetzung zur Erzeugung von höheren Drucken durchgesetzt. Ein Beispiel für einen Kraftstoffinjektor mit Druckubersetzung ist m der US-PS 5 460 329 (Sturman) beschrieben. Dabei gelangt der Kraftstoff über ein als Schieberventil aus- gestaltetes elektromagnetisches Steuerventil zu einem Druck- verstarker im Injektor. Über die elektromagnetische Ansteuerung des Steuerventils wird zu festgelegten Zeiten bzw. Kurbelwinkeln der Kraftstoff vom Druckverstarker unter hohen Druck gesetzt. Der unter hohen Druck gesetzte Kraftstoff be- wirkt dann auf die herkömmliche Art, daß die Ventilnadel des In ektors von ihrem Sitz abhebt und den Weg für den Kraftstoff zu der Einspritzdüse des Injektors freigibt und der Kraftstoff m den Brennraum des Dieselmotors eingespritzt wird. Das Steuerventil weist im Bereich der beiden Enden des Ventilschiebers je einen Elektromagneten auf, um hin- und hergeschaltet werden zu können, ohne daß elastische Ruckstellelemente erforderlich sind. Um das Steuerventil in einer definierten Stellung zu halten, muß jedoch immer einer der beiden Magneten mit Strom beaufschlagt bleiben, auch nachdem die gewünschte Stellung bereits erreicht ist.
Deshalb hat Sturman das elektromagnetische Steuerven¬ til so weiterentwickelt, wie es in der eingangs genannten US- PS 5 640 987 beschrieben ist. Bei dieser Ausgestaltung bestehen der Ventilschieber und das Gehäuse des Steuerventils aus geeigneten magnetischen Materialien, damit der Ventilschieber auch ohne Strom aufgrund der Hysterese des magnetischen Materials des Schiebers und des Gehäuses in der jeweiligen Endstellung bleibt. Zum Umschalten braucht nur noch eine der beiden Magnetspulen kurz mit Strom beaufschlagt zu werden; nach dem erfolgten Umschalten kann der Strom dann abgeschaltet werden. Diese Art eines Steuerventils wird wegen seines bistabilen Verhaltens digitales Ventil genannt. Das Ventil kann als 2-, 3- oder 4-Wege-Ventιl ausgeführt werden.
Unvermeidliche Fertigungstoleranzen und damit die zwangsläufig unterschiedlichen Paarungsspiele zwischen dem Ventilschieber und dem Ventilgehause an den Steuerventilen der einzelnen Injektoren einer Emspπtzanlage für einen Mehrzylindermotor sowie Unterschiede in den Massen der Ventile und Schwierigkeiten in der Ventileinstellung bewirken je- doch ein unterschiedliches Einspritzverhalten der einzelnen Injektoren an den verschiedenen Zylindern des Motors und m der Folge davon ein ungleichmäßiges Verhalten des Motors, insbesondere RundlaufStörungen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die em- gangs genannte Anordnung und das eingangs genannte Verfahren so auszugestalten, daß die große Streuung der Injektoren im Einspritzverhalten verringert wird und der Motorlauf besser bzw. gleichmäßiger wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemaß hinsichtlich der Anordnung mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen und hinsichtlich des Verfahrens mit den im Patentanspruch 3 angegebenen Maßnahmen gelost. Bevorzugte Ausfuhrungsformen der Erfindung sind in den Unteranspruchen zu diesen Hauptan- spruchen angeführt. Die obige Aufgabe wird demnach erfindungsgemaß dadurch gelost, daß, wahrend eine der beiden Magnetspulen des Steuerventils zur Erzeugung einer magnetischen Kraft mit
Strom beaufschlagt wird, die andere Magnetspule des jeweiligen Steuerventils als Sensor für eine Bewegung des Ventilschiebers geschaltet wird. Da der Ventilschieber aus einem magnetischen Material besteht, ermöglichen es die magneti- sehen und die Hystereseeigenschaften dieses Materials, daß eine Bewegung des Ventilschiebers wahrend der Einwirkung und auch noch nach dem Abschalten des Steuerstroms für die eine Magnetspule im Sensor einen Strom oder eine Spannung induziert. Die dadurch erhaltenen Informationen über das charak- teristische Ansprechverhalten des Steuerventils bei einer Ansteuerung können im Rahmen einer intelligenten Regelung so verarbeitet werden, daß das Einspritzverhalten des jeweiligen Injektors dahingehend verbessert wird, daß Abweichungen von den einzelnen Sollwerten der Einspritzparameter verringert werden. Zum Beispiel kann eine längere Totzeit zwischen dem Beginn der Bestromung der Magnetspule und dem Beginn der Bewegung des Ventilschiebers bei einem Steuerventil oder generell ein verzögertes Schaltverhalten durch einen früheren Beginn der Bestromung oder eine andere Spannungsversorgung kom- pensiert werden.
Auch wenn im Betrieb zur Erhöhung der Schnelligkeit die beiden Elektromagnete parallel geschaltet werden, laßt sich das charakteristische Verhalten des Ventils aus wenigen Zyklen des Schaltspiels mit nur einem aktivierten Magneten innerhalb kurzer Zeit ausreichend genau bestimmen, um das
Ist-Verhalten durch entsprechende Maßnahmen dem gewünschten Verhalten anzunähern.
Die erfmdungsgemaße Anordnung bzw. das erfindungsgemaße Verfahren hat den Vorteil, daß keine zusätzlichen Kompo- nenten am Injektor wie Hubgeber und dergleichen erforderlich sind. Das erfmdungsgemaße Verfahren laßt sich zum Beispiel relativ einfach durch eine geeignete Software m der vorhandenen elektronischen Motorsteuerung ausfuhren.
Ein Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung naher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 den Schnitt durch ein Steuerventil, und
Fig. 2 den Steuerventilhub m Abhängigkeit von der Zeit bzw. dem Kurbelwinkel bei einer elektromagnetischen Ansteuerung des Steuerventils der Fig. 1.
Die Fig. 1 der Zeichnung zeigt schematisch eine
Schnittansicht des aus der US-PS 5 640 987 bekannten Steuerventils. Ein solches Steuerventil wird dazu verwendet, den Fluß eines Fluids zum Druckverstarker eines KraftstoffIn ektors zeitlich zu steuern, um dadurch den Druck m einer Druckkammer im Injektor zu erhohen, aus der der Kraftstoff dann über die Einspritzdüse m die Brennkammer des Verbrennungsmotors eingespritzt wird. Das Steuerventil kann als 2-, 3- oder 4-Wege-Ventιl ausgeführt werden.
Das der Fig. 1 der Zeichnung gezeigte Steuerventil 10 weist ein Gehäuse 12 mit einer ersten Öffnung 14 und einer zweiten Öffnung 16 auf. Die Offnungen 14, 16 munden m eine Ventilkammer 18 im Gehäuse 12. Über die Öffnung 14 wird der Kraftstoff von einem KraftstoffSpeicher zugeführt. Die Öffnung 16 stellt die Verbindung zum Druckverstarker des Injek- tors her.
In die Ventilkammer 18 ist axial beweglich ein Ventilschieber 20 mit einer umlaufenden Nut 22 eingesetzt. Der Ventilschieber 20 kann sich zwischen einer linken Endstellung, die der Fig. 1 dargestellt ist, und einer rechten Endstellung (nicht gezeigt) hm und her oewegen. Um eine
Dampfung der Bewegung des Ventilschiebers 20 zu verhindern, weist das Gehäuse 12 eine erste Leckageoffnung 17 und eine zweite Leckageoffnung 19 auf, die jeweils m einer Stirnseite der Ventilkammer 18 enden und drucklos gehalten werden. Die Nut 22 liegt den beiden Offnungen 14, 16 weiterhin derart gegenüber, daß die von der seitlichen Begrenzung der Nut 22 gebildete Steuerkante 24 in der linken Endstellung des Ventilschiebers 20 die Fluidverbmdung zwischen den Offnungen 14, 16 blockiert, wahrend in der anderen, rechten End- Stellung des Ventilschiebers 20 die Fluidverbmdung hergestellt wird. Die in der Zeichnung linke Endstellung des Ventilschiebers 20 ist somit die Geschlossenstellung und die ge-
genuberliegende rechte Endstellung des Ventilschiebers 20 die Offenstellung des Steuerventils 10.
Das Steuerventil 10 umfaßt des weiteren eine erste Magnetspule 30 und eine davon räumlich getrennte zweite Ma- gnetspule 32. Das heißt, daß im Bereich der beiden axialen Enden des Ventilschiebers 20 im Gehäuse 12 des Steuerventils 10 je eine Magnetspule 30, 32 zur Erzeugung magnetischer Kräfte für eine Bewegung des Ventilschiebers 20 vorgesehen ist. Die erste Magnetspule 30 ist in der Darstellung der F g. 1 der Zeichnung an der rechten Seite der Ventilkammer 18 angeordnet und kann den Ventilschieber 20 m die rechte Endstellung (die Offenstellung) bewegen, wahrend die zweite Magnetspule 32 an der linken Seite der Ventilkammer 18 angebracht und dafür vorgesehen ist, den Ventilschieber 20 m die linke Endstellung (die Geschlossenstellung) zu bringen. Die Zuleitungen 34 zu den Magnetspulen 30, 32 sind mit einer elektrischen Steuerschaltung (nicht gezeigt) verbunden.
Um das Steuerventil 10 zu offnen, damit ein Fluid, d.h. der Kraftstoff von der ersten Öffnung 14 zur zweiten Öffnung 16 und damit vom Speicher zum Druckverstarker im
Kraftstoffinjektor fließen kann, wird die erste Magnetspule 30 von der elektrischen Steuerschaltung mit einem Steuerstrom beaufschlagt. Nachdem der Ventilschieber 20 aufgrund der dadurch auf ihn einwirkenden magnetischen Kraft die rechte End- Stellung erreicht hat, wird der Strom für die erste Magnetspule 30 wieder abgeschaltet. Der Ventilschieber 20 und das Gehäuse 12 des Steuerventils 10 bestehen aus geeigneten magnetischen Materialien, so daß der Ventilschieber 20 auch ohne Strom der ersten Magnetspule 30 aufgrund der magneti- sehen Hysterese in der rechten Endstellung, der Offenstel- lung, bleibt.
Das Steuerventil 10 wird wieder dadurch geschlossen, daß die zweite Magnetspule 32 für eine bestimmte Zeit mit einem Steuerstrom beaufschlagt wird, so daß auf αen Ventil- Schieber 20 eine magnetische Kraft wirkt, die ihn die linke Geschlossenstellung bringt.
Erfindungsgemaß wird nun wahrend einer elektrischen Ansteuerung einer der beiden Magnetspulen 30, 32 mit einem Steuerstrom die jeweils andere Magnetspule 32, 30 als Sensor geschaltet und der durch eine Bewegung des Ventilschiebers 20, der aus einem magnetischen Material ist, im Sensor induzierte Strom (bzw. die induzierte Spannung) m der Steuerschaltung erfaßt und zur Bestimmung des Ansprechverhaltens des jeweiligen Steuerventils 10 ausgewertet. Das heißt, daß, wahrend der ersten Magnetspule 30 em Steuerstrom zugeführt wird, die zweite Magnetspule 32 als Sensor für eine Bewegung des Ventilschiebers 20 geschaltet und verwendet und an der zweiten Magnetspule 32 der von einer Bewegung des Ventilschiebers 20 induzierte Strom (bzw. die induzierte Spannung) erfaßt wird. Gleichermaßen wird, wenn der zweiten Magnetspule 32 em Steuerstrom zugeführt wird, die erste Magnetspule 30 als Sensor verwendet und geschaltet. Auf diese Art und Weise können m Korrelation zueinander folgende Informationen gewonnen werden:
- Zeitliche Abhängigkeit des Stroms durch die jeweils bestromte Magnetspule;
- zeitliche Abhängigkeit der davon bewirkten Bewegung des Ventilschiebers 20; und
- Zeitpunkt des Erreichens der jeweiligen Endstellung des Ventilschiebers 20. Die Fig. 2 der Zeichnung zeigt schematisch und beispielhaft ihrem oberen Teil idealisiert den zeitlichen Verlauf des der ersten Magnetspule 30 zugefuhrten Steuerstroms (ausgezogene Linie) und den zeitlichen Verlauf des der zweiten Magnetspule 32 zugefuhrten Steuerstroms (gestrichelte Linie) . Der tatsächliche Stromverlauf weicht von dem zur Vereinfachung der Erläuterung dargestellten idealen Verlauf ab und kann, wie oben angegeben, zur Bestimmung des charakteristischen Ansprechverhaltens des Steuerventils herangezogen werden . In ihrem unteren Teil zeigt die Fig. 2 der Zeichnung der zeitlichen Korrelation zum oberen Teil den Ventilhub des Ventilschiebers 20.
Zum Zeitpunkt ti wird, um das Steuerventil 10 aus seiner normalerweise geschlossenen Stellung zu offnen, von der Steuerschaltung mit der Bestromung der ersten Magnetspule 30 begonnen. Daraufhin beginnt mit einer gewissen Verzögerung zum Zeitpunkt t2 der Ventilschieber 20, sich m Richtung zur rechten Endstellung, der Offenstellung, zu bewegen. Dieser Bewegungsbeginn wird von der zu dieser Zeit als Sensor geschalteten zweiten Magnetspule 32 aufgrund des in der zweiten Magnetspule 32 induzierten Stroms bzw. der induzierten Span- nung erfaßt. Wenn der Ventilschieber 20 an seiner rechten Endstellung (der Offenstellung) m Anschlag geht und sich deshalb nicht mehr weiter bewegt, induziert er auch keinen Strom bzw. keine Spannung mehr in der zweiten Magnetspule 32. Daraus ergibt sich exakt der Zeitpunkt t3, in dem der Ventil- Schieber 20 in semer rechten Endstellung zur Anlage kommt. Als Folge davon kann unmittelbar danach zum Zeitpunkt t4 der Strom für die erste Magnetspule 30 abgeschaltet werden.
Um das Steuerventil 10 wieder zu schließen, wird ab dem Zeitpunkt t5 der zweiten Magnetspule 32 von der Steuer- schaltung Strom zugeführt, wahrend die erste Magnetspule 30 als Sensor geschaltet wird. Die erste Magnetspule 30 erfaßt dann den Zeitpunkt tβ des Beginns der Bewegung des Ventilschiebers 20 nach links Richtung linke (geschlossene) Endstellung sowie den Zeitpunkt t7, wenn der Ventilschieber 20 n der linken (geschlossenen) Endstellung zur Anlage kommt. Zum Zeitpunkt t8 wird daraufhin die Bestromung der zweiten Magnetspule 32 beendet.
Der Zeitpunkt t2 legt den Einspritzbeginn fest, und die Zeitspanne von t2 bis t bestimmt im wesentlichen die Einspritzdauer des Injektors. Die Verzogerungszeit t2-tι zwischen dem Beginn der Bestromung des ersten Magnetventils 30 zum Offnen den Ventils und dem tatsächlichen Offnen sowie die Abschaltzeit t--t5 zwischen dem Beginn der Bestromung des zweiten Magnetventils 32 zum Abschalten des Ventils und dem tatsächlichen Abschalten beeinflussen damit die wichtigsten Einspritzparameter des Injektors. Da sich mit der vorliegenden Anordnung und dem vorliegenden Verfahren die Zeitpunkte
ti bis t8 an jedem Injektor exakt erfassen lassen, können die Verzogerungszeiten t2-tχ und die Abschaltzelten t7-ts bei der elektrischen Ansteuerung jedes einzelnen Injektors am Motor zum Beispiel durch geeignetes Festlegen der Zeitpunkte ti und tδ im Verhältnis zum Kurbelwinkel berücksichtigt werden, so daß Abweichungen vom Soll- oder Mittelwert genau kompensiert werden können.
Alternativ oder zusätzlich kann zur Kompensation von Abweichungen natürlich auch die Stromstarke und/oder die Spannung des Steuerstromes und dergleichen verändert werden. Die Zeitpunkte ti bis t8 entsprechen jeweils einem bestimmen Kurbelwinkel des Motors; die Angabe der Zeitpunkte kann deshalb bei der Erfassung der Drehzahl auch durch eine Angabe des jeweiligen Kurbelwinkels ersetzt werden. Die vorliegende Anordnung und das vorliegende Verfahren können auch dann angewendet werden, wenn beide Magnetspulen 30, 32 zur Erhöhung der Schaltgeschwindigkeit im allgemeinen parallel betrieben werden. Zur Festlegung der Zeitpunkte ti bis tβ sind dann separat nur einige wenige Zyklen mit jeweils nur einem aktiv angesteuerten Magneten zu durchfahren, wahrend der andere Magnet wie beschrieben als Sensor verwendet wird. Damit laßt sich das Ist-Verhalten des jeweiligen Steuerventils ausreichend genau identifizieren, um es über eine Einstellung zum Beispiel des Beginns der Bestromung und/oder der Starke des Steuerstromes an das Soll-Verhalten anpassen zu können.