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 DruckstellgliedInfo
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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.
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.
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.
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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DE59903717T DE59903717D1 (de) | 1998-01-23 | 1999-01-21 | Vorrichtung und verfahren zum druckregeln in speichereinspritzsystemen mit einem elektromagnetisch betätigten druckstellglied |
EP99907265A EP0970304B1 (de) | 1998-01-23 | 1999-01-21 | Vorrichtung und verfahren zum druckregeln in speichereinspritzsystemen mit einem elektromagnetisch betätigten druckstellglied |
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Applications Claiming Priority (1)
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