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DE19618932C2 - Vorrichtung und Verfahren zur Regelung des Kraftstoffdruckes in einem Hochdruckspeicher - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Regelung des Kraftstoffdruckes in einem Hochdruckspeicher

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DE19618932C2
DE19618932C2 DE19618932A DE19618932A DE19618932C2 DE 19618932 C2 DE19618932 C2 DE 19618932C2 DE 19618932 A DE19618932 A DE 19618932A DE 19618932 A DE19618932 A DE 19618932A DE 19618932 C2 DE19618932 C2 DE 19618932C2
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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regelung des Kraftstoffdruckes in einem Hochdruckspeicher gemäß dem An­ spruch 1 und ein Verfahren zur Regelung des Kraftstoffdruckes in einem Hochdruckspeicher gemäß dem Anspruch 4.
Hochdruckspeicher für Kraftstoff werden bei Common-Rail- Einspritzanlagen verwendet. Dabei wird von einer Hochdruck­ pumpe Kraftstoff in einen Hochdruckspeicher gepumpt und aus­ gehend von dem Hochdruckspeicher wird der Kraftstoff den ein­ zelnen Einspritzdüsen zugeführt. Auf diese Weise wird ein ho­ her Einspritzdruck ermöglicht, der insbesondere bei der Ein­ spritzung von Diesel die Partikelemission erniedrigt.
EP 0 678 668 A2 beschreibt eine Kraftstoffeinspritzanlage für Brennkraftmaschinen, bei der über eine Hochdruckpumpe Kraft­ stoff Hochdruckleitungen zugeführt wird, die an Einspritzven­ tile der Brennkraftmaschine angeschlossen sind. An der Hoch­ druckleitung ist ein Druckbegrenzungsventil vorgesehen, das in Abhängigkeit vom Kraftstoffdruck in der Hochdruckleitung und von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine von einem Steuergerät angesteuert wird. Das Steuergerät steuert zudem den Liefergrad der Kraftstoffhochdruckpumpe.
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 Hochdruck­ speicher 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 maxima­ len Druckes den Hochdruckspeicher mit dem Kraftstofftank ver­ bindet. Die regelbare Drossel wird von einem Steuergerät in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine angesteuert, so daß eine Volumenstromregelung auf der Nieder­ druckseite 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 bereitzustellen, die eine schnelle Druck­ erniedrigung ermöglichen und zudem einen guten Wirkungsgrad aufweisen.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Vorrichtung des An­ spruchs 1 und das Verfahren des Anspruchs 4 gelöst. Die Vor­ richtung des Anspruchs 1 und das Verfahren nach Anspruch 4 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 ho­ hen 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 Vo­ lumenstromregelventil,
Fig. 2 einen Hochdruckspeicher mit einer vorgeschalteten re­ gelbaren 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 Hoch­ druckspeicher 7 ist über ein Druckregelventil 10 und über ei­ ne Kraftstoffrückleitung 11 mit dem Tank 1 verbunden.
Weiterhin ist am Hochdruckspeicher 7 ein Drucksensor 12 ange­ ordnet, der über eine erste Meßleitung 13 mit einem ersten Regler 14 verbunden ist, der über eine erste Steuerleitung 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 je­ doch Anstelle der nicht regelbaren Förderpumpe 4 eine regel­ bare Förderpumpe 20 angeordnet ist, die über die erste Steu­ erleitung 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 ers­ ten Reglers 14 verwendet werden, der auf der Niederdruckseite 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 ent­ sprechend dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine 22 ein Solldruck PSOLL vorgegeben. In dem folgenden Beispiel wird da­ von ausgegangen, daß die Recheneinheit 23 aufgrund des Be­ triebszustandes der Brennkraftmaschine 22, der beispielsweise die Drehzahl, die Last und die Abgaswerte beinhaltet, und un­ ter Verwendung der von den Eingangsleitungen 27 zugeführten 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 Verglei­ cher 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 Re­ gelventil 3 oder in der Ausführung der Fig. 2 die regelbare Förderpumpe 20 ansteuert, und von dem zweiten Vergleicher 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 Differenzdruck PDIF, der für die folgende Formel als aktuelle Regelabweichung e(k) be­ zeichnet 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
TI die Integrierzeit bezeichnet sind.
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 mit
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 Ein­ schaltdauer 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 an den ersten Reg­ ler 14 übermittelt, der in Abhängigkeit von dem aktuellen Reglereingriff u2(k) des zweiten Reglers 17 den aktuellen Reglereingriff des ersten Reglers 14 korrigiert oder die Re­ gelung stoppt.
Der aktuelle Reglereingriff des ersten und des zweiten Reg­ lers 14, 17 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 Regelein­ griff an das Regelventil 3 und der zweite Regler 17 den aktu­ ellen zweiten Reglereingiff an das Druckventil 10 weiter. In einer weiteren Ausführung der Erfindung regelt der erste Reg­ ler 14 mit dem aktuellen ersten Regeleingriff die regelbare Förderpumpe 20, wie in Fig. 2 dargestellt.
Der erste und der zweite Regler 14, 17 sind wahlweise als A­ nalog- oder Digitalregler ausgeführt.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Regelung des Kraftstoffdruckes in einem Hochdruckspeicher (7)
mit einem ersten Drucksensor (12), der dem Hochdruckspeicher (7) zugeordnet ist und den Kraftstoffdruck im Hochdruck­ speicher (7) einem ersten und einem zweiten Regler (14, 17) meldet,
wobei der erste Regler (14) mit einem kontinuierlichen Regel­ verhalten den Volumenstrom im Zufluß zu einer Hochdruckpumpe (6), die an den Hochdruckspeicher (7) angeschlossen ist, in Abhängigkeit vom Kraftstoffdruck im Hochdruckspeicher (7) re­ gelt,
wobei der zweite Regler (17) mit einem stufenweisen Regelver­ halten über ein Druckventil (10) den Kraftstoffdruck im Hoch­ druckspeicher (7) in Abhängigkeit vom Kraftstoffdruck im Hoch­ druckspeicher (7) regelt,
wobei ein Ausgang des zweiten Reglers (17) einem Eingang des ersten Reglers (14) zugeführt ist,
wobei der aktuelle Reglereingriff des zweiten Reglers (17) dem ersten Regler (14) zugeführt wird, und
wobei der aktuelle Reglereingriff des ersten Reglers (14), mit dem der Volumenstrom im Niederdruckbereich geregelt wird, in Abhängigkeit vom aktuellen Reglereingriff des zweiten Reglers (17), der das Druckventil (10) regelt, korrigiert wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Regelung des Volumenstromes eine regelbare Förder­ pumpe (20) vorgesehen ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach der regelbaren Förderpumpe (20) eine Konstantdrossel (19) angeordnet ist.
4. Verfahren zur Regelung des Drucks in einem Hochdruckspei­ cher (7) für Kraftstoff, wobei dem Hochdruckspeicher (7) über eine Hochdruckpumpe (6) Kraftstoff zugeführt wird und von dem 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 (7) geregelt wird, wobei im Hochdruckbereich der Druck im Hochdruckspeicher (7) in Abhängigkeit vom Druck im Hochdruckspeicher (7) geregelt wird,
wobei der Volumenstrom des Kraftstoffes im Niederdruckbereich geregelt wird, wenn der Druck im Hochdruckspeicher (7) kleiner ist als ein Solldruck,
und wobei der Druck im Hochdruckspeicher (7) geregelt wird, wenn der Druck im Hochdruckspeicher (7) größer als der Soll­ druck ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zur Druckregelung im Hochdruckbereich der Volu­ menstrom im Niederdruckbereich geregelt wird, wenn der Druck im Hochdruckspeicher (7) den Solldruck übersteigt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenstrom im Niederdruckbereich in Abhängigkeit von der Druckregelung im Hochdruckbereich geregelt wird.
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