DE69803388T2

DE69803388T2 - Verbesserung der steuerungsgenauigkeit einer impulsbetriebenen elektromechanischen vorrichtung

Info

Publication number: DE69803388T2
Application number: DE69803388T
Authority: DE
Inventors: F. Busato
Original assignee: Siemens Canada Ltd
Current assignee: Siemens Canada Ltd
Priority date: 1997-07-30
Filing date: 1998-07-09
Publication date: 2002-09-19
Anticipated expiration: 2018-07-10
Also published as: JP3421319B2; EP0998698A1; DE69803388D1; EP0998698B1; JP2001512256A; US6310754B1; AU8203298A; US6102364A; WO1999006893A1

Description

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft allgemein impulsbetriebene elektromechanische Vorrichtungen wie z. B. elektromagnetisch betätigte Ventile und schafft bedeutende neue Möglichkeiten für Fluidsteuerungsstrategien.

Hinterrund der Erfindung

Eine bekannte Steuerstrategie für eine elektromechanische Vorrichtung umfasst die gesteuerte Abgabe elektrischer Impulse an einen elektromechanischen Aktor der Vorrichtung. Ein Beispiel einer derartigen Steuerstrategie umfasst die Abgabe eines pulsweitenmodulierten (PWM) Signals an eine Vorrichtung. Eine derartige Steuerstrategie wurde bisher vorgeschlagen zur Steuerung bestimmter elektromagnetisch betätigter Vorrichtungen zur Verwendung in Kraftfahrzeugen, die von Brennkraftmaschinen angetrieben werden. Beispiele derartiger Vorrichtungen umfassen Emissionssteuerventile wie z. B. elektrische Abgasrückführventile (electric exhaust gas recirculation = EEGR) und Kanisterspülventile (canister purge solenoid = CPS). Die folgende Offenbarung der erfindungsgemäßen Prinzipien wird in Verbindung mit der Steuerung eines CPS-Ventils in einer bordeigenen Dampfemissions-Steueranlage für ein Kraftfahrzeug beschrieben.
Eine bekannte bordeigene Dampfemissions-Steueranlage umfasst einen Dampfsammelkanister, der flüchtige Kraftstoffdämpfe sammelt, die sich im oberen Bereich des Kraftstofftanks durch die Verdampfung flüssigen Kraftstoffs im Tank gebildet haben, sammelt, und ein CPS-Ventil zum periodischen Spülen angesammelter Kraftstoffdämpfe zu einem Saugrohr der Brennkraftmaschine. Das CPS-Ventil weist einen Elektromagnet-Aktor auf, der unter der Steuerung eines mikroprozessorgestützten Motor-Betriebssteuersystems arbeitet.
Während Betriebszuständen, bei denen eine Spülung erfolgen soll, wie dies durch das Motor-Betriebssteuersystem auf der Grundlage verschiedener Eingangs- Signale bestimmt wird, wird ein Dampfemissionsraum, der gemeinsam von dem oberen Bereich des Tanks und dem Kanister gebildet wird, zum Saugrohr der Brennkraftmaschine durch das CPS-Ventil gespült, das zwischen den Kanister und das Saugrohr geschaltet ist. Das CPS-Ventil wird durch ein Signal aus dem Motor-Betriebssteuergerät so weit geöffnet, dass der Saugrohrunterdruck Kraftstoffdämpfe aus dem Kanister ansaugen kann, damit sie von dem brennbaren Gemisch mitgerissen werden, das in die Brennkammer der Brennkraftmaschine mit einer Rate entsprechend dem Motorbetrieb strömt, um für akzeptable Fahreigenschaften sowie ein annehmbares Niveau der Abgasemissionen zu sorgen.
Ein vorbekanntes CPS-Ventil umfasst ein bewegliches Ventilelement, das von einer Druckfeder gegen einen Ventilsitz elastisch vorgespannt wird, um das Ventil zu schließen, wenn kein elektrischer Strom an den Elektrcmagneten abgegeben wird. Wenn elektrischer Strom in steigendem Ausmaß an den Elektromagneten angelegt wird, wirkt die größer werdende elektromagnetische Kraft im Sinne eines Abhebens des Ventilelementes, wodurch das Ventil geöffnet wird. Diese elektromagnetische Kraft muss verschiedene Kräfte überwinden, die auf den mechanischen Mechanismus wirken, ehe das Ventilelement sich abheben kann; diese umfassen sowohl was immer an statischer Reibung (stiction) zwischen dem Ventilelement und dem Ventilsitz vorhanden ist wie auch die entgegengerichtete Federvorspannkraft. Wenn sich das Ventilelement einmal abgehoben hat, spielt die Geometrie des Ventilelementes/Ventilsitzes ebenfalls eine Rolle beim Definieren der Funktionsbeziehung der Durchflussrate durch das Ventil zu dem an die Spule des Elektromagneten angelegten elektrischen Strom. Außerdem wird auch das Ausmaß, zu dem ein bestimmtes Ventil einer Hysterese unterliegt, ebenfalls in der Funktionsbeziehung reflektiert.
Wenn das Ventilelement aus einem kegelförmigen Zapfen besteht, der in axialer Richtung innerhalb einer kreisförmigen Öffnung positioniert wird, welche von dem Ventilsitz umgeben wird, lässt sich eine genau definierte Beziehung zwischen der Strömungsrate und der Zapfenposition erhalten. Bestimmte geometrische Faktoren, die an der Schnittstelle zwischen Ventilelement und Ventilsitz vorhanden sind, können jedoch verhindern, dass diese Beziehung wirksam wird, bis sich das Ventilelement um einen bestimmten Mindestbetrag vom Ventilsitz abgehoben hat. Somit kann jeder Graph der Durchflussrate durch das Ventil über dem an die Magnetspule abgegebenen elektrischen Strom aus gesonderten Spannen aufgebaut angesehen werden: Einer kurzen Anfangsspanne, die zwischen der Schließstellung des Ventils und einer bestimmten Mindestventilöffnung auftritt, und einer größeren folgenden Spanne, die jenseits einer bestimmten Mindestventilöffnung auftritt.
Ein spezieller Typ eines CPS-Ventils umfasst einen linearen Elektromagneten und eine lineare Druckfeder, die zunehmend komprimiert wird, wenn das Ventil zunehmend öffnet. Es wird manchmal als lineares Magnetspülventil bezeichnet. Ein derartiges Ventil kann bestimmte wünschenswerte Eigenschaften zur Durchflusssteuerung bieten. Ein linearer Elektromagnet für sich genommen besitzt eine Kraft/elektrischer Strom-Kennlinie, die über einen bestimmten Strombereich im wesentlichen linear ist. Wenn ein linearer Elektromagnet in eine elektromechanische Vorrichtung eingebaut ist, besitzt der gesamte elektromechanische Mechanismus eine Output-Strom-Kennlinie, die eine Funktion nicht nur des Elektromagneten, sondern auch des mechanischen Mechanismus ist, auf den die Magnetkraft ausgeübt wird. Als Folge ist dann die Output-Strom-Kennlinie der Gesamtvorrichtung gegenüber der des linearen Elektromagneten allein etwas modifiziert, und dasselbe gilt im Fall eines PPS-Ventils.
Während ein CPS-Ventil, das sowohl mit einem linearen Elektromagneten wie auch einem kegelförmigen Ventilelement, das innerhalb einer kreisförmigen Öffnung, umgeben von dem Ventilsitz, axial wahlweise verschoben werden kann, umfasst, eine erwünschte Durchflussrate-Zapfenposition-Kennlinie aufweist, ist es möglich, dass diese Kennlinie erst wirksam wird, wenn sich der Zapfen um einen vorgegebenen Mindestbetrag in eine Öffnungsstellung bewegt hat, und zwar aufgrund geometrischer Faktoren an der Schnittstelle zwischen Zapfen und Ventilsitz, wie bereits erwähnt wurde. Somit kann jeder Graph der Ventil-Durchflussrate über dem an die Magnetspule angelegten Strom aus den oben erwähnten Spannen zusammengesetzt angesehen werden, und zwar einer kurzen Anfangsspanne, die zwischen der Ventilschließstellung und einer bestimmten Mindestventilöffnung auftritt, und einer folgenden größeren Spanne, die jenseits einer bestimmten Mindestventilöffnung auftritt.
Allgemein gesprochen, ist ein Linearmagnet-Spülventil, das nicht druckausgeglichen ist, graphisch gekennzeichnet durch eine Reihe von Graphen der Durchflussrate über dem elektrischen Strom, die jeweils zu einer bestimmten am Ventil anliegenden Druckdifferenz korreliert sind. Jeder Graph kann durch die oben erwähnte kurze Anfangsspanne und die größere folgende Spanne gekennzeichnet werden. Innerhalb der letzteren Spanne jedes Graphen ist eine besonders wünschenswerte Eigenschaft eine im wesentlichen konstante Beziehung zwischen inkrementalen Änderungen des an den Elektromagneten angelegten elektrischen Steuerstroms und inkrementalen Änderungen der Ventil-Durchflussrate. Innerhalb der ersten Spanne können inkrementale Änderungen der Ventildurchflussrate eine ganz andere Beziehung zu inkrementalen Änderungen des an den Elektromagneten angelegten elektrischen Steuerstroms haben, wiederum wegen der Geometrie der Schnittstelle zwischen Ventilelement und Venilsitz.
Bei einem derartigen Linearmagnet-Spülventil ist ein bestimmter elektrischer Mindeststrom erforderlich, ehe das Ventil zu öffnen beginnt. Wenn das Ventil zu öffnen beginnt, folgt jeder Graph der Durchflussrate über dem elektrischen Strom der relativ kurzen Anfangsspanne, wo eine kleine inkrementale Änderung des elektrischen Stromes eine inkrementale Änderung des Durchflusses zur Folge hat, die wesentlich größer als die inkrementale Änderung ist, die sich ergeben würde, wenn das Ventil stattdessen innerhalb der Spanne arbeiten würde, in der das Ventil über den bestimmten Mindestbetrag hinaus geöffnet wurde und eine inkrementale Änderung des Ventildurchflusses eine im wesentlichen konstante Beziehung zu einer inkrementalen Änderung des elektrischen Stromes hat.
Elektrischer Strom kann an die Elektromagnetspule auf unterschiedliche Weise abgegeben werden. Eine bekannte Möglichkeit besteht darin, eine pulsbreitenmodulierte Gleichstromspannung an die Spule anzulegen. Bei der Wahl der Impulsfrequenz der angelegten Spannung sollte das Frequenzansprechverhalten des kombinierten Elektromagnet-Ventil-Mechanismus berücksichtigt werden. Wenn eine Impulsfrequenz verwendet wird, die deutlich innerhalb des Frequenzansprechsbereichs des kombinierten Elektromagnet-Ventil-Mechanismus liegt, so wird der Mechanismus dem Pulsweitensignal genau folgen. Wenn andererseits eine Impulsfrequenz verwendet wird, die deutlich jenseits des Frequenzansprechbereiches des kombinierten Elektromagnet-Ventil-Mechanismus liegt, so wird der Mechanismus entsprechend dem zeitlichen Mittelwert der angelegten Spannungsimpulse positioniert. Möglicherweise ist die letztere Technik der erstgenannten vorzuziehen, da der Ventilmechanismus nicht mit dem pulsweitenmodulierten Signal höherer Frequenz hin- und herbewegt, sondern eine Position einnimmt, die dem zeitlich gemittelten Stromfluss in der Elektromagnetspule entspricht. Mit der erstgenannten Technik würde der Mechanismus dagegen merkliche Hin- und Herbewegungen ausführen, wenn er dem Signal niedrigerer Frequenz folgt.
Wenngleich daher eine PWM-Steuerung eine wünschenswerte Technik ist, um ein magnetbetätigtes Ventil über einen Bereich zu steuern, in dem das Verhältnis der inkrementalen Änderung der Durchflussrate zur inkrementalen Änderung des durchschnittlichen Elektromagnetstroms im wesentlichen konstant ist, ist es möglicherweise schwieriger, eine präzise Steuerung in einem Bereich zu erzielen, in dem eine solche Beziehung nicht existiert.
Somit besteht ein Bedarf an weiteren Vorrichtungen hinsichtlich bestimmter Aspekte der Steuerstrategie für impulsbetriebene elektromechanische Vorrichtungen wie z. B. Ventile. Vorrichtungen sind besonders wichtig für Krafifahrzeug-Emissions- Steuerventile, da derartige Ventile unter unterschiedlichen Fahrzeugbetriebsbedingungen arbeiten müssen. Bei einem CPS-Ventil, das Kraftstoffdampf im Leerlauf der Brennkraftmaschine zum Saugrohr spült, kann eine präzise Steuerung sehr schwierig sein.
Die JP-A-O1 015 564 offenbart eine elektronische Steuervorrichtung für ein Durchflusssteuerventil, die einen Positionssensor zum Bestimmen der Stellung des Ventils und Steuermittel zum Steuern der Stellung des Ventils aufweist. Die Steuermittel liefern eine Betriebsgröße, die aus der Summe einer ersten Betriebsgröße, welche die Abweichung zwischen einer Sollstellung und Iststellung des Ventils darstellt, und einer zweiten Betriebsgröße umfasst, welche aus einer Dreieckswellenamplitude entsprechend der Abweichung besteht. Der Wert der zweiten Betriebsgrößetität wird so eingestellt, dass der Totbereich des Durchflusssteuerventils verringert wird.
Die DE-A-43 29 917 offenbart eine Reglereinheit zum Erzeugen eines impulsmodulierten Steuersignals in Abhängigkeit von dem Unterschied zwischen einem momentanen Signalwert (Istwert) und einem vorgegebenen Referenzsignal (Nennwert) unter Last. Das Steuersignal wird dazu verwendet, einen Leistungsschalter so zu betreiben, dass ein elektrischer Strom an die Last angelegt wird. Ferner wird eine Detektorvorrichtung zum Detektieren des momentanen Stroms an dem Leistungsschalter offenbart, welcher den an der Last vorhandenen Strom darstellt.
Die US-A-4 766 921 offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines pulsweitenmodulierten Magnetventils derart, dass der Prozentsatz der Zeit, zu der das Ventil offen ist, im wesentlichen proportional zu den Weiten der an das Ventil abgegebenen Befehls Stromimpulse ist. Das Verfahren umfasst die Bereitstellung einer Reihe sich abwechselnder positiver und negativer Vorimpulse, die zu den Befehlsimpulsen addiert werden, um einen Ausgleich für den Totbereich im Ansprechverhalten des Ventils zu schaffen. Die Vorimpulse werden zeitlich so gesteuert, dass sie unmittelbar vor den Befehlsimpulsen auftreten.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist auf Lösungen gerichtet, die die Möglichkeit verbessern, impulsbetriebene elektrische Vorrichtungen präzise zu steuern, welche bestimmten Phänomenen unterworfen sind, die eine präzise Steuerung schwieriger machen. Im Fall des CPS-Ventils des im einzelnen zu beschreibenen Beispiels ist das erfindungsgemäße Prinzip besonders vorteilhaft zum Erzielen einer verbesserten Steuerung des Durchflusses durch das Ventil trotz des Vorhandenseins bestimmter elektromechanischer Eigenschaften, die eine präzise Steuerung schwieriger machen.
Gemäß einem Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben Verfahren zum Betreiben einer elektrisch betriebenen Vorrichtung, die einen elektromechanischen Aktor zum Steuern der Position eines Mechanismus in Abhängigkeit von einem elektrischen Steuersignal in Form von Spannungsimpulsen aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: a) Entwickeln eines primären Steuersignals; b) Entwickeln eines sekundären Steuersignals; und c) Formen des elektrischen Steuersignals aus dem primären und sekundären Steuersignal; dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt c) umfasst: eine wahlweise Verknüpfung des sekundären Steuersignals mit dem primären Steuersignal, um das elektrische Steuersignal so zu formen, dass, wenn der Mechanismus in einem ersten Bereich von Positionen zu positionieren ist, das elektrische Steuersignal nur das primäre Steuersignal umfasst und, wenn der Mechanismus in einem zweiten Bereich von Positionen zu positionieren ist, das elektrische Steuersignal eine Verknüpfung zwischen dem primären und sekundären Steuersignal umfasst.
Gemäß einem anderen Aspekt schafft die vorliegende Erfindung eine elektrisch betriebene Vorrichtung mit einem elektromechanischen Aktor zum wahlweisen Positionieren eines Mechanismus in Abhängigkeit von einem elektrischen Steuersignal, das eine Wellenform aus Spannungsimpulsen hat, und Steuermitteln zum Entwickeln eines primären Steuersignals (PR) und eines sekundären Steuersignals (SE), die das elektrische Steuersignal bilden; dadurch gekennzeichnet, dass, wenn der Mechanismus in einem ersten Bereich von Positionen zu positionieren ist, die Steuermittel nur das primäre Steuersignal als das elektrische Steuersignal liefern, und, wenn der Mechanismus in einem zweiten Bereich von Positionen zu positionieren ist, die Steuermittel eine Interaktion zwischen dem primären und sekundären Steuersignal als das elektrische Steuersignal liefern.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung eine Anlage für ein Kraftfahrzeug mit einer Vorrichtung wie oben beschrieben.
Ein allgemeiner Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung einer impulsbetriebenen elektrischen Steuervorrichtung, bei der die Steuerung wahlweise hochfrequente und niederfrequente Steuersignale in neuer und einzigartiger Weise verwendet.
Angewendet auf ein elektrisch betätigtes Ventil betrifft ein speziellerer Aspekt der Erfindung ein Steuersystem und eine Steuerstrategie, bei denen ein Prozessor ein sekundäres Steuersignal wahlweise mit einem primären Steuersignal verknüpft, um ein elektrisches Steuersignal zu entwickeln, das das Ventil so betreibt, dass, wenn das Ventil in einem ersten Durchfluss bereits betrieben werden soll, das elektrische Steuersignal aus dem primären Steuersignal allein entwickelt wird, und dass, wenn das Ventil in einem zweiten Durchflussbereich betrieben werden soll, das elektrische Steuersignal durch die Verknüpfung des sekundären Steuersignals mit dem primären Steuersignal entwickelt wird.
Ein spezielles Beispiel einer derartigen Verknüpfung verwendet eine Wellenform einer relativ niedrigeren Frequenz für das sekundäre Steuersignal und eine Wellenform einer relativ höheren Frequenz für das primäre Steuersignal, wobei die primäre Impulswellenform relativ höherer Frequenz durch die sekundäre Impulswellenform relativ niedrigerer Frequenz wahlweise gategesteuert wird. Die primäre Impulswellenform relativ höherer Frequenz wird seinerseits hinsichtlich ihres Tastverhältnisses moduliert, um eine Steuerung des Ventils zu erzielen.
Angewendet auf das Linearmagnet-Spülventil des hier offenbarten Ausführungsbeispiels legt die Erfindung ein hochfrequentes pulsweitenmoduliertes Spannungssignal an die Elektromagnetspule an, um eine Betätigung des Ventils innerhalb einer im wesentlichen linearen Spanne zu erzielen, in der eine inkrementale Änderung des Ventildurchflusses eine im wesentlichen konstante Beziehung zu einer vorgegebenen inkrementalen Änderung des durchschnittlichen elektrischen Stromes in der Spule hat. Der durchschnittliche Strom durch die Spule steht mit dem Modulationsgrad der PWM-Spannungswellenform in Beziehung, so dass die Modulation der Wellenform den Durchfluss steuert. Während dieser Betriebsweise kommt es zu keiner Verknüpfung des sekundären Steuersignals mit dem primären Steuersignal.
Um das Ventil in einer anderen Spanne wie z. B. einer Spanne zu steuern, in der die Beziehung zwischen einer vorgegebenen inkrementalen Änderung des durchschnittlichen elektrischen Stromes in der Spule und der resultierenden inkrementalen Änderung des Durchflusses nicht die gleiche Linearität wie in der vorstehend erwähnten allgemein linearen Spanne zeigt, wird die hochfrequente PWM-Spannungswellenform durch ein niederfrequentes Signal weiter moduliert. Während dieser Betriebsweise kommt es zu einer Verknüpfung des sekundären Steuersignals mit dem primären Steuersignal, beispielsweise zu einer Modulation des primären Steuersignals. Wenn eine derartige weitermodulierte PWM-Wellenform an die Elektromagnetspule angelegt wird, wird das Ventil in Stellungen bewegt, die eine Funktion des niederfrequenten Signals innerhalb eines Bereiches von Stellungen mit einer Grenze sind, die durch die hochfrequente PWM-Wellenform selbst geschaffen wird. Der Modulationsbereich des niederfrequenten Steuersignals verleiht der Steuerung die Fähigkeit, den Durchfluss durch das Ventil präziser zu steuern, wenn das Ventil in einer derartigen anderen Spanne betrieben werden soll.
Das Vorstehende zusammen mit zusätzlichen Merkmalen und anderen Vorteilen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den Ansprüchen, denen Zeichnungen beigefügt sind. Die Zeichnungen offenbaren ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß der zur Zeit für am besten gehaltenen Methode zur Umsetzung der Erfindung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm einer bordeigenen Dampfemissions- Steueranlage mit einer vergrößerten Längsschnittansicht durch ein Kanisterspülventil.
Fig. 2 ist ein typisches Diagramm, das zu Fig. 1 in Beziehung steht,
Fig. 3 ist eine Längsschnittansicht durch ein anderes Kanisterspülventil.
Fig. 4 ist ein schematisches Schema einer elektrischen Steuerschaltung für das Ventil der Fig. 3 zum Veranschaulichen eines Aspektes einer Steuerstrategie gemäß der Erfindung.
Fig. 5 stellt eine Reihe von Kurven dar, die bei der Erläuterung der Erfindung unter Bezug auf Fig. 4 von Nutzen sind,
Fig. 6 ist ein der Fig. 4 entsprechendes Schema, zeigt jedoch einen anderen Aspekt der Steuerstrategie gemäß der Erfindung,
Fig. 7 ist eine weitere Reihe von Kurven, die zur Erläuterung der Erfindung unter Bezug auf Fig. 6 von Nutzen sind,
Fig. 8 zeigt eine weitere Reihe von Kurven, die bei der Erläuterung der Erfindung unter Bezug auf Fig. 6 von Nutzen sind.
Fig. 9 ist ein Wellenformdiagramm zum Erläutern eines weiteren Aspektes der Steuerstrategie.
Fig. 10 zeigt eine weitere Reihe von Kurven zur Erläuterung der Erfindung unter Bezug auf die Fig. 6 und 9.

Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

Die Fig. 1 zeigt eine Dampfemissions-Steueranlage 10 eines Kraftfahrzeuges mit einem Dampfsammelkanister (Kohlenstoftkanister) 12 und einem Kanisterspülventil (CPS-Ventil) 14, das in Reihe zwischen einem Kraftstofftank 16 und einem Saugrohr 18 einer Brennkraftmaschine 20 in bekannter Weise angeordnet ist. Ein Motor-Betriebssteuergerät 22 gibt ein Ventilsteuersignal als Eingangssignal an eine Pulsweitenmodulations-Schaltung (PWM-Schaltung) 24 ab, um ein pulsweitenmoduliertes Signal zu erzeugen, das von einer Treiberschaltung 26 verstärkt und an elektrische Anschlüsse des Ventils 14 angelegt wird.
Das Ventil 14 hat ein Gehäuse 28 mit einer Einlassöffnung 14i, die über eine Leitung 30 mit einer Spülöffnung 12p des Kanisters 12 verbunden ist, und einer Auslassöffnung 140, die über eine Leitung 32 mit dem Saugrohr 18 verbunden ist. Eine Leitung 34 verbindet eine Kanistertanköffnung 12t mit dem oberen Bereich des Kraftstofftanks 16. Ein Betätigungsmechanismus in Form eines Elektromagnetaktors 14sa ist innerhalb des Gehäuses 28 angeordnet, um einen inneren Kanal zwischen den Öffnungen 14i und 14o zu öffnen und zu schließen. Der Mechanismus umfasst eine Vorspannfeder, die ein Ventilelement 14ve in einen Ventilsitz 14vs drückt, um den Innenkanal zu verschließen. Wenn der Elektromagnetaktor zunehmend durch das Betriebssteuergerät 22 erregt wird, wird eine elektromagnetische Kraft entgegen der Vorspannung der Federkraft auf einen Anker 14a ausgeübt, um das Ventilelement 1 4ve von dem Ventilsitz 14vs abzuheben und dadurch den Innenkanal zu öffnen, so dass eine Strömung zwischen den Öffnungen 14i und 14o erfolgen kann.
Der Kanister 12 weist ferner eine Entlüftungsöffnung 12v auf, über die der Dampfemissionsraum, in dem sich die Kraftstoffdämpfe befinden, zur Atmosphäre entlüftet wird. Diese Entlüftung kann über ein atmosphärisches Entlüftungsventil (nicht gezeigt) erfolgen, das zu bestimmten Zeit wie z. B. während einer OBDII Testphase geschlossen wird.
Die Fig. 2 stellt ein typisches Steuerdiagramm für das Ventil 14 dar, in dem die Ventil-Durchflussrate zu dem Tastverhältnis einer pulsweitenmodulierten Spannung, die an die elektrische Anschlüsse angelegt wird, in Beziehung gesetzt wird. Ein bestimmtes Mindesttastverhältnis, ungefähr 10% in dem Beispiel, ist erforderlich, ehe das Ventil zu öffnen beginnt. Wenn das Tastverhältnis über 10% hinaus ansteigt, hat die Durchflussrate eine im wesentlichen geradlinige Beziehung zu dem Tastverhältnis. Bei einem Tastverhältnis von 100% wird eine konstante Gleichstromspannung an die elektrischen Anschlüsse angelegt. Die Frequenz der Impulswellenform, die diese Betriebsweise erzielt, ist relativ niedrig; eine typische Frequenz liegt innerhalb eines Bereiches von ungefähr 5 Hz bis ungefähr 20 Hz. Bei Ventilmechanismen, deren Frequenzansprechverhalten jenseits eines derartigen Bereiches liegt, erfährt der Mechanismus beträchtliche Hin- und Herbewegungen, wenn er der Impulswellenform folgt.
Wenn das Ventil nicht druckgeregelt ist, ist die Durchflussrate auch eine Funktion der an den Ventilöffnungen anliegenden Druckdifferenz. Temperatur- und Spannungsschwankungen können ebenfalls die Beziehung beeinflussen.
Es ist bekannt, dass die Verwendung eines linearen Elektromagneten die Steuergenauigkeit erhöhen kann, und die Fig. 3 zeigt ein Beispiel eines Linearmagnet- Spülventils 14', bei dem bestimmte Teile den bereits erwähnten Teilen des Ventils 14 entsprechen, und sie werden mit den entsprechenden Bezugsziffern unter Hinzufügung eines Apostroph bezeichnet.
Das Ventil 14' weist ein zweiteiliges Gehäuse B1, B2 mit einer Einlassöffnung 14i' und einer Auslassöffnung 14o' auf. Das Ventil 14' hat eine Längsachse AX, und das Gehäuseteil B 1 hat eine zylindrische Seitenwand 40, die zu der Achse AX coaxial verläuft und die an ihrem oberen axialen Ende, wo sie mit dem Gehäuseteil B2 zusammengesetzt ist, offen ist. Die Seitenwand 40 hat einen oberen und unteren Seitenwandabschnitt 40a, 40a, die durch eine Schulter 42 miteinander verbunden sind; der erstere Seitenwandabschnitt ist voll zylindrisch während der letztere zylindrisch mit Ausnahme in dem Bereich, in dem er von der Öffnung 40' radial geschnitten wird, ist. Die Öffnung 14i' hat die Form eines Ellbogens, der von dem unteren axialen Ende der Seitenwand 40 abgeht. Für sich genommen, ist das Gehäuseteil B 1 geschlossen, abgesehen von seinem offenen oberen axialen Ende und den beiden Öffnungen 14u' und 14i'.
Ein linearer Elektromagnet S ist in dem Gehäuseteil B1 angeordnet, in den er durch das offene obere Ende des Gehäuseteils B1 bei der Herstellung des Ventils eingeführt wurde. Der Elektromagnet besteht aus einem Spulenträger 44, einem Magnetdraht, der auf den Spulenträger 44 gewickelt ist, um eine elektromagnetische Spule 46 zu bilden, und einer Statorkonstruktion, die der Spule zugeordnet ist. Diese Statorkonstruktion besteht aus einem oberen Statorendstück 48, das am oberen Ende der Spule angeordnet ist, einem zylindrischen Seitenstatorteil 50, das in Umfangsrichtung um die Außenseite der Spule herum angeordnet ist, und einem unteren Statorendstück 52, das an dem unteren Ende der Spule angeordnet ist.
Das obere Statorendstück 48 umfasst einen flachen kreisförmigen Scheibenabschnitt, dessen Außenumfang zu dem oberen Ende des Seitenstückes 50 passt und der ein Loch aufweist, in das eine Buchse 54 eingepresst ist, so dass sie koaxial zu der Achse AX verläuft. Der Scheibenabschnitt weist ferner ein weiteres Loch auf, durch das zwei am Spulenträger angebrachte elektrische Anschlüsse 56 hindurchgeführt sind, an denen Enden des Magnetdrahtes 46 angebracht sind. Das Stück 48 hat außerdem einen zylindrischen Hals 58, der von dem Scheibenabschnitt eine bestimmte Strecke in das zentrale Durchgangsloch in dem Spulenträger 44, das koaxial zu der Achse AX ist, nach unten verläuft. Die Innenfläche des Halses 58 ist zylindrisch, während seine Außenfläche kegelstumpfförmig ist, um für eine radiale Dicke zu sorgen, deren Schrägung fortschreitend kleiner wird, während sich der Hals in das Durchgangsloch des Spulenträgers erstreckt.
Das untere Statorendstück 52 umfasst einen flachen kreisförmigen Scheibenabschnitt, dessen Außenumfang zu dem unteren Ende des Seitenstücks 50 passt und der ein Loch aufweist, in das eine Buchse 60 so eingepresst ist, dass sie koaxial zu der Achse AX verläuft. Das Stück 52 umfasst ferner einen oberen zylindrischen Hals 62, der von dem Scheibenabschnitt eine bestimmte Strecke in das zentrale Durchgangsloch des Spulenträgers 44 hinein nach oben verläuft und der koaxial zu der Achse AX ist. Der Hals 62 hat eine gleichförmige radiale Dicke. Das Stück 42 hat ferner einen unteren zylindrischen Hals 64, der von dem Scheibenabschnitt eine bestimmte Strecke nach unten verläuft, so dass sein unterstes Ende eng in den unteren Seitenwandabschnitt 40b eingepasst ist. Ein Ventilsitzelement 66 ist mit einem Hals versehen, um in das offene untere Ende des Halses 64 eingepasst werden zu können, und ist an der Innenseite des Wandabschnittes 40b durch einen O-Ring 67 abgedichtet. Oberhalb des untersten Endes, das an die Seitenwand 40 angepasst ist, enthält der Hals 64 mehrere Durchgangslöcher 68, die für eine Verbindung zwischen der Öffnung 14o' und dem Raum sorgt, der oberhalb des Ventilsitzelementes 66 angeordnet ist und von dem Hals 64 begrenzt wird. Die Seitenwand 40 ermöglicht diese Verbindung, indem sie die Durchgangslöcher 68 nicht drosselt.
Buchsen 54 und 60 dienen dazu, einen Ventilschaft 70 längs der Achse AX linear bewegbar zu führen. Ein zentraler Bereich des Schaftes 70 ist zwecks Presssitz eines rohrförmigen Ankers 72 geringfügig vergrößert. Das untere Ende des Schaftes 70 ist als Ventil 74 ausgebildet, das mit dem Ventilsitzelement 66 zusammenwirkt. Das Ventil 74 besteht aus einem Kopf, der mit dem Schaft 70 einstückig ausgebildet ist und die Form eines kegelförmigen Zapfens hat, bestehend aus einem abgerundeten Ende 74a, einem kegelstumpfförmigen Abschnitt 74b, der von dem Ende 74a abgeht, einem genuteten zylindrischen Abschnitt 74c, der von dem Abschnitt 74b abgeht, und einem einstückig angeformten Abstützflansch 74d, der teilweise das obere axiale Ende der Nut des Abschnittes 74c bildet. Eine O-Ring-Dichtung 76 aus einem geeigneten kraftstoffresistenten elastomeren Material ist in der Nut des Abschnittes 74c angeordnet.
Das Ventilsitzelement 66 hat eine einwärts gerichtete Schulter 66a, die einen Abschnitt eines Durchgangsloches enthält, das axial durch das Ventilsitzelement verläuft. Dieser Abschnitt des Durchgangsloches weist einen geradlinigen zylindrischen Abschnitt 78 und eine kegelstumpfförmige Sitzfläche 80 auf, welche von dem oberen Ende des Abschnittes 78 wegverläuft und zu dem von dem Hals 64 begrenzten Innenraum hin offen ist. Der Rest des Durchgangsloches axial unterhalb des Abschnittes 78 ist mit dem Bezugszeichen 81 bezeichnet.
Das obere Ende des Schaftes 70 steht um einen Betrag über die Buchse 54 nach oben vor und hat eine solche Form, dass ein Federfänger 79 daran befestigbar ist. Das Gehäuseteil B2 ist an dem Gehäuseteil B 1 durch einen Klemmring 82 befestigt, der einander zugewandte, aneinander angepasste Flansche erfasst, um eine Dichtung 84 sandwichartig dazwischenzuhalten; eine wendelförmig gewundene lineare Druckfeder 86 ist zwischen dem Federfänger 79 und einem anderen Federfänger 87 gehalten, der von einer entsprechend geformten Tasche des Gehäuseteils B2 aufgenommen wird. Eine Eichschraube 88 ist in ein Loch in der Stirnwand dieser Tasche koaxial zu der Achse AX eingeschraubt, und sie ist von außen für ein geeignetes Drehwerkzeug (nicht gezeigt) zugänglich, um das Ausmaß einzustellen, um das der Federfänger 87 axial relativ zu der Tasche verstellt wird. Wenn die Schraube 88 in das Loch eingeschraubt wird, bewegt sich der Federfänger 87 in Richtung auf den Federfänger 79, wodurch die Druckfeder 86 zunehmend zusammengedrückt wird. Die Anschlüsse 56 sind ebenfalls mit in dem Gehäuseteil B2 angebrachten Anschlüssen 90 verbunden, um einen elektrischen Verbinder 92 zu bilden, der mit einem entsprechenden anderen Verbinder (nicht gezeigt), welcher mit der Treiberschalter 26 verbunden ist, in Eingriff gebracht werden kann.
In der in Fig. 3 dargestellten Schließstellung des Ventils hat ein abgerundeter Oberflächenabschnitt der Dichtung 76 einen in Umfangsrichtung kontinuierlichen Dichtungskontakt mit der Ventilsitzfläche 80, so dass das Ventil den Strömungsweg zwischen den Öffnungen 14o' und 14i' schließt. In dieser Stellung überlappt der obere Abschnitt des Ankers 72 den zwischen dem oberen Ende des Halses 62 und dem unteren Ende des Halses 58 vorhandenen Luftspalt axial; es ist jedoch ein geringfügiger radialer Freiraum vorhanden, so dass der Ankers 72 die Hälse tatsächlich nicht berührt, wodurch ein magnetischer Kurzschluss vermieden wird.
Allgemein gesprochen, hängt der Grad der Ventilöffnung von der Größe des elektrischen Stromflusses durch die Elektromagnetspule 46 ab, so dass der Spülstrom durch das Ventil durch Steuerung des elektrischen Stromflusses der Spule gesteuert wird.
Wenn der elektrische Strom von Null an allmählich ansteigt, erreicht er einen Wert, der ausreicht, um jegliche zwischen dem O-Ring 76 und der Ventilsitzfläche 80 vorhandene Haftreibung aufzubrechen. An diesem Punkt beginnt der Ventilmechanismus, sich entgegen der Kraft der Feder 86 zu öffnen. Das Öffnen des Ventils beginnt, sobald die O-Ring-Dichtung 76 den Kontakt mit der Sitzfläche 80 verliert.
Je nach den speziellen geometrischen Beziehungen, die zwischen dem Ventilzapfen, seiner O-Ring-Dichtung und und dem Winkel der Ventilsitzfläche vorhanden sind, kann eine bestimmte axiale Anfangsbewegung des Zapfens, durch die die O-Ring-Dichtung 76 von der Ventilsitzfläche 80 abgehoben wird, aufgetreten sein, ehe der kegelstumpfförmige Abschnitt 74b seinerseits in die Lage versetzt wird, den wirksamen Strömungsquerschnitt des Durchgangsloches des Ventilsitzelementes zu bestimmen. Mit anderen Worten wird der kegelstumpfförmige Abschnitt erst dann, wenn sich das Ventil um mehr als eine bestimmte Mindestanfangsstrecke bewegt hat, in die Lage versetzt, seinerseits den Strömungsquerschnitt zu steuern. Jenseits dieser Anfangsstrecke wird der Öffnungsbereich immer größer, wenn sich der Zapfen von dem Ventilsitzelement wegbewegt, wobei die Profile des kegelstumpfförmigen Abschnittes 74b und des abgerundeten Endes 74a nacheinander die Größe des Öffnungsbereiches bestimmen, wenn sich der Zapfen von dem Ventilsitzelement 66 wegbewegt.
Ein typischer Graph der Durchflussrate über dem elektrischen Strom zeigt drei gesonderte Spannen: Eine erste Spanne, in der der Strom, ohne das Ventil zu öffnen, größer wird; eine zweite Spanne, in der sich das Ventil zu öffnen beginnt, der kegelstumpfförmige Abschnitt 74b jedoch noch nicht voll wirksam ist, um allein die Strömung zu steuern; und eine dritte Spanne, in der das Ventil ausreichend weit geöffnet ist, um zu ermöglichen, dass der Abschnitt 74b und schließlich das Ende 74a den Durchfluss steuert. Die zweite Spanne kann als eine Beziehung charakterisiert werden, bei der eine kleine inkrementale Änderung des durchschnittlichen elektrischen Stromes in dem Elektromagneten 5 eine inkrementale Änderung der Durchflussrate bewirkt, die deutlich verschieden ist von der inkrementalen Änderung, die sich ergibt, wenn das Ventil stattdessen innerhalb der dritten Spanne arbeitet. Ein Aspekt der Erfindung befasst sich damit, die Steuerung des Durchflusses zu verbessern, wenn das Ventil innerhalb dieser zweiten Spanne betrieben werden soll.
Fig. 4 zeigt in Blockdiagrammform eine typische elektrische Schaltung 100 zum Betreiben des Ventils 14'. Die Schaltung 100 weist auf Einen Widerstand 102 zum Erfassen des Stromflusses durch die Spule des Elektromagneten 5, eine Signalaufbereitungs- und Verstärkerschaltung 104, die dem Widerstand 102 zugeordnet ist, eine Analog-Digitalwandlerschaltung 106 zum Umwandeln des analogen Ausgangssignales der Schaltung 104 in ein entsprechendes digitales Signal, einen Prozessor 108, der sowohl auf ein primäres Steuersignal 110 und ein sekundäres Steuersignal 112 einwirkt. Der Prozessor 108 verarbeitet das primäre und sekundäre Steuersignal, um ein Ausgangssteuersignal zu entwickeln, das als Eingangssignal einer Treiberschaltung 26 zugeführt wird, welche, wie gezeigt, einen Kopplungswiderstand 26a und eine Festkörpervorrichtung wie z. B. ein FET 26b aufweist. Das in Fig. 4 dargestellte spezielle Ausführungsbeispiel zeigt ferner, dass die Analog-Digital-Wandlerschaltung 106, der Prozessor 108 und die Quellen des primären und sekundären Steuersignals 110, 112 in einem Mikrocontroller 113 enthalten sind.
Die Spule 46 des Elektromagneten S. der Widerstand 102 und ein gesteuerter Hauptleitungspfad der Festkörpervorrichtung 26b sind in einer Reihenschaltung an einer zur Verfügung stehenden Gleichstromquelle eines Kraftfahrzeuges angeschlossen, vorzugsweise einer Quelle, deren Spannung gut geregelt ist. Der elektrische Stromfluss durch diese Reihenschaltung wird von dem Treiber 26b in Abhängigkeit von dem Ausgangssteuersignal gesteuert, das von dem Prozessar 108 über den Widerstand 26a an einen Steuereingang der Vorrichtung 26b angelegt wird. Während elektrischer Strom durch den Widerstand 102 und dem gesteuerten Leitungspfad der Vorrichtung 26b fließt, wird der am Widerstand 102 anliegende Spannungsabfall als Eingangssignal der Signalaufbereitungs- und Verstärkerschaltung 104 zugeführt, in der es in ein entsprechendes analoges Signal zur Eingabe in die Analog-Digital-Wandlerschaltung 106 umgeformt wird. Die letztere Schaltung wandelt das analoge Signal in ein entsprechendes digitales Signal um, das dem Prozessor 108 als tertiäres Steuersignal zugeführt wird, das den tatsächlichen elektrischen Stromfluss durch die Spule 46 widergibt. Ein Zweck des den elektrischen Stromfluss durch die Elektromagnetspule darstellenden tertiären Steuersignals besteht darin, die Schaltung 100 mit einer Rückkopplungsschleife auszustatten, die dazu dient, gewisse umgebungsbedingte Änderungen auszugleichen, die andernfalls die Steuergenauigkeit beeinträchtigen könnten. Beispielsweise regelt die Rückkopplungsschleife den Stromfluss durch die Spule 46 automatisch so, dass der Einfluss von Änderungen bestimmter Größen wie z. B. der Gleichstromversorgungsspannung, der Spulenerwärmung und der Umgebungstemperatur praktisch ausgeschaltet wird, so dass das Ventil im wesentlichen unabhängig von diesen Einflüssen unter der Steuer der Schaltung 100 zu einer Sollposition bewegt werden kann.
Bei der in Fig. 4 dargestellten Schaltung empfängt der Mikrocontroller 113 verschiedene Eingangssignale, die diverse mit dem Motorbetrieb in Verbindung stehende Größen darstellen. Beispielsweise können derartige Eingangssignale den Saugrohr-Unterdruck, die Motordrehzahl und Abweichungen des Verbrennungsvorganges vom stöchiometrischen Betrieb, gemessen durch einen Sauerstoffsensor im Abgas, darstellen. Der Mikrocontroller 113 kann mit entsprechenden Algorithmen so programmiert werden, dass er evaluiert, welche der verschiedenen Eingangssignale zum Entwickeln der korrekten primären und sekundären Steuersignale zwecks Verarbeitung durch den Prozessor 103 geeignet sind.
Die Fig. 4 zeigt beispielhaft, dass die Quellen für die fünf primären und sekundären Steuersignale eigenständig innerhalb des Mikrocontrollers 113 sind. Bei einer derartiger Konfiguration werden die primären und sekundären Signale erzeugt, wenn der Prozessor 108 bestimmte Algorithmen ausführt, welche diejenigen Eingangsvariablen verwenden, die zum Entwickeln der korrekten primären und sekundären Steuersignale geeignet sind. Auf die primären und sekundären Steuersignale wird dann mit bestimmten anderen Algorithmen des Prozessors 108 eingewirkt, um letztlich das elektrische Steuersignal zum Betreiben des Ventils 14' zu erzeugen.
Verschiedene in Fig. 4 gezeigte Signalformen stellen einen Betriebszustand dar, bei dem ein typisches primäres Steuersignal als ein pulsweitenmoduliertes Spannungssignal PR erscheint und das sekundäre Steuersignal SE sich in einem Zustand befindet, der von dem Prozessor 108 als ein Zustand erkannt wird, der bewirkt, dass das vom Prozessor an die Treiberschaltung 26 abgegebene Steuersignal das pulsweitenmodulierte primäre Steuersignal wiederholt. Dies wiederum bewirkt einen entsprechenden durchschnittlichen Gleichstromfluss durch den gesteuerten Hauptleiterpfad der Vorrichtung 26b und somit durch die Elektromagnetspule 46. Das "wiederholte" Signal hat eine Frequenz (200 Hz) im vorliegenden Beispiel, die ausreichend hoch in Relation zu dem Frequenzansprechverhalten des kombinierten Elektromagnet- und Ventilmechanismus ist, um zu verhindern, dass das Ventil der impulsweitenmodulierten Wellenform folgt. Wenn daher einmal die Haftreibung überwunden ist, bewegt sich das Ventil in eine Stellung, die dem zeitlich gemittelten elektrischen Stromfluss in der Magnetspule entspricht. Da sich das Tastverhältnis des "wiederholten" PWM-Signals in Abhängigkeit von Änderungen des primären Steuersignals ändert, ändert sich der zeitlich gemittelte Gleichstrom in der Magnetspule entsprechend, was wiederum die Stellung des Ventilmechanismus und somit des Ventilzapfens entsprechend ändert.
Fig. 5 zeigt drei typische Kurven der Ventil-Durchflussrate über dem zeitlich gemittelten Gleichstromfluss in der Magnetspule. Jede Kurve entspricht einem anderen Wert des Saugrohrunterdrucks, wie in Fig. 5 angedeutet ist. Alle Kurven haben jedoch im wesentlichen die gleiche Form. Jede zeigt, dass ein bestimmter Mindeststrom in der Magnetspule fließen muss, ehe das Ventil zu öffnen beginnt. Diese Spanne, in der das Ventil geschlossen bleibt, entspricht der oben erwähnten ersten Spanne. Die Fig. 5 zeigt, dass ungefähr 100 mA Stromfluss erforderlich ist, um das Ventil zu öffnen, wenn der Saugrohrunterdruck 440 mm Hg beträgt, ungefähr 115 mA, wenn der Saugrohrunterdruck 348 mm Hg beträgt, und ungefähr 14o mA, wenn der Saugrohrunterdruck 254 mm Hg beträgt.
Wenn das Ventil mit dem Öffnen begonnen hat, wird die Durchflussrate mit größer werdendem Strom größer. Eine anfängliche Spanne der Ventilöffnungsbewegung entspricht der oben erwähnten zweiten Spanne. Bei einem Saugrohrunterdruck von 440 mm Hg endet dieses Anfangsspanne der Ventilöffnungsbewegung bei einem durchschnittlichen Elektromagnetstrom von ungefähr 127 mA, bei einem Saugrohrunterdruck von 348 mm Hg endet die Spanne bei einem durchschnittlichen Elektromagnetstrom von näherungsweise 143 mA, und bei einem Saugrohrunterdruck von 254 mm Hg endet die Spanne bei einem durchschnittlichen Elektromagnetstrom von näherungsweise 162 mA. Es ist weiter zu beobachten, dass jede dieser Spannen endet, wenn die Durchflussrate näherungsweise 5 SLPM beträgt, eine Rate, die dem Zustand entspricht, bei dem der Ventilzapfen sich von dem Ventilsitz weit genug wegbewegt hat, um den kegelstumpfförmigen Abschnitt 74b die volle Steuerung des wirksamen Strömungsquerschnitts übernehmen zu lassen. Jede Spanne der Kurven jenseits der Durchflussrate von näherungsweise 5 SLPM entspricht der oben erwähnten dritten Spanne.
Über einer Spanne der Durchflussrate von näherungsweise 1 SLPM bis näherungsweise 5 SLPM haben alle Kurven im wesentlichen die gleiche Steigung, die gekennzeichnet ist durch eine gewisse inkrementale Änderung des durchschnittlichen elektrischen Stroms, der eine bestimmte inkrementale Änderung der Durchflussrate bewirkt. Für Durchflussraten, die größer als näherungsweise 5 SLPM sind, zeigt jede der Kurven, für eine gegebene inkrementale Änderung des durchschnittlichen Stroms, eine inkremtale Änderung der Durchflussrate, die kleiner ist als die inkrementale Änderung der Durchflussrate, die sich bei der gleichen inkrementalen Änderung des durchschnittlichen Stromes ergibt, wenn die Strömungsrate unterhalb von 5 SLPM liegt. In den Beispielen der Fig. 5 zeigen die Durchflussraten von näherungsweise 5 SLPM bis näherungsweise 15 SLPM im wesentlichen die gleiche inkrementale Änderung der Durchflussrate bei einer gegebenen inkrementalen Änderung des durchschnittlichen Stromes. Durchflussraten von näherungsweise 15 SLPM bis näherungsweise 70, 5 SLPM zeigen im wesentlichen die gleiche inkrementale Änderung der Durchflussrate für eine gegebene inkrementale Änderung des durchschnittlichen Stroms; für eine gegebene inkrementale Änderung des durchschnittlichen Stromes sind jedoch diese identischen inkrementalen Änderungen der Durchflussrate geringfügig größer als die inkrementalen Änderungen der Durchflussrate im Bereich zwischen 5 SLPM und 15 SLPM. Für eine gegebene inkrementale Änderung des durchschnittlichen Stromes sind inkrementale Änderungen der Durchflussraten unterhalb 5 SLPM wesentlich größer als die für Durchflussraten oberhalb von 5 SLPM. Und es sei daran erinnert, dass das Ventilzapfenprofil ein Faktor beim Bestimmen der speziellen Kurvenformen ist.
Da die Steigungen der Kurven in der Spanne von 0 SLPM bis 5 SLPM wesentlich größer als in der Spanne jenseits von 5 SLPM sind, ist eine Steuergenauigkeit bei diesen geringeren Durchflussraten schwieriger zu erzielen. Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung befasst sich mit der Verbesserung der Steuergenauigkeit in diesen Spannen geringerer Durchflussrate. Die Steuerstrategie wird durch die typische Signalform der Fig. 6 wiedergegeben, bei denen das sekundäre Steuersignal nun mit dem primären Steuersignal über den Prozessor 108 verknüpft wird, um eine Signalform zu entwickeln, die von dem Prozessor an die Treiberschaltung 26 angelegt wird.
Die Fig. 6 zeigt die Schaltung 100 mit entsprechenden Signalen aus der primären Steuerschaltung 110 und der sekundären Steuerschaltung 112. Das Signal aus der primären Steuerschaltung 110 hat eine höherfrequente PWM-Signalform (200 Hz im dargestellten Beispiel), während das Signal aus der sekundären Steuerschaltung 112 niederfrequenter ist (8 Hz z. B.) und seinerseits pulsweitenmoduliert sein kann. Das sekundäre Steuersignal wird somit im Prinzip dazu verwendet, das primäre Steuersignal zu modulieren. Anders ausgedrückt, bewirkt die Schaltung 100 eine Torsteuerung des primären Steuersignals zu der Treiberschaltung 26 in Abhängigkeit von dem Zustand des sekundären Steuersignals. Bei dem dargestellten Beispiel wird das primäre Steuersignal durch die Schaltung 26 nur während der "Ein"-Zeit des sekundären Steuersignals torgesteuert, d. h. wenn das sekundäre Steuersignal hochpegelig ist. Noch anders ausgedrückt, wird das primäre Steuersignal während der "Aus"-Zeit des sekundären Steuersignals gelöscht, d. h., jedes Mal, wenn das Ausgangssignal der sekundären Steuerschaltung niederpegelig ist.
Nach den allgemeinen Prinzipien der Erfindung ist somit vorgesehen, dass der Prozessor das sekundäre Steuersignal wahlweise mit dem primären Steuersignal verknüpft, um das zur Betätigung des Ventils dienende elektrische Steuersignal zu entwickeln, derart, dass jedes Mal, wenn das Ventil in einem ersten Durchflussbereich arbeitet, das elektrische Steuersignal aus dem primären Steuersignal allein entwickelt wird, und dass jedes Mal, wenn das Ventil in einem zweiten Durchflussbereich arbeitet, das elektrische Steuersignal durch Verknüpfung des sekundären Steuersignals mit dem primären Steuersignal entwickelt wird.
Wenn das sekundäre Steuersignal mit dem primären Steuersignal in der durch die Signalformen in Fig. 6 veranschaulichten Weise verknüpft werden soll, verhält sich das Ventil 14' sehr ähnlich wie ein CPS-Ventil mit niederfrequentem Tastverhältnis, wobei jedoch die maximale Durchflussrate durch das Ausgangssignal der primären Steuerschaltung bestimmt wird. Dies wird graphisch durch die Reihe von Kurven der Fig. 7 und 8 veranschaulicht.
Die Kurven der Fig. 7 und 8 zeigen, dass bei einem gegebenen Saugrohrunterdruck (440 mm Hg in den Beispielen) eine bestimmte Durchflussrate durch einen bestimmten durchschnittlichen Gleichstrom im Elektromagneten aufgrund des Ausgangssignals der primären Steuerschaltung allein hervorgerufen wird; dies entspricht einem Zustand, bei dem das Ausgangssignal der sekundären Steuerschaltung ein Tastverhältnis von 100% hat. Die Fig. 7 zeigt sechs verschiedene Kurven für sechs verschiedene durchschnittliche Elektromagnetströme. Wenn das Tastverhältnis des Ausgangssignals der sekundären Steuerschaltung ausgehend von 100% allmählich kleiner wird, während das Ausgangssignal der primären Steuerschaltung unverändert bleibt, wird für jede Kurve der Durchfluss durch das Ventil entsprechend geringer. Die Fig. 8 zeigt sechs verschiedene Kurven, die jeweils einem speziellen Tastverhältnis des Ausgangssignals der sekundären Steuerschaltung entsprechen. Wenn das Tastverhältnis des Ausgangssignales der primären Steuerschaltung fortschreitend kleiner wird, wird auch für jede Kurve der Durchfluss durch das Ventil entsprechend kleiner.
Aus den Skalen der Fig. 7 und 8 lässt sich ablesen, dass sich wegen der Auflösung, die sich durch Modulation des Tastverhältnisses des sekundären Steuersignals von 100% auf 0% ergibt, eine präzisere Steuerung erzielen lässt als zu versuchen, das Ventil allein durch das Ausgangssignal der primären Steuerschaltung zu steuern.
Das allgemeine Prinzip der Erfindung ist nicht notwendigerweise beschränkt auf die spezielle Art der Verknüpfung des sekundären Steuersignals mit dem primären Steuersignal, die anhand der Fig. 6 beschrieben wurde. Das erfindungsgemäße Prinzip umfasst auch die Möglichkeit, andere elektrische Signale als das primäre Steuersignal zu zeigen, zu denen das sekundäre Steuersignal "niederpegelig" ist, an die Treiberschaltung 26a zu geben. Ein Beispiel hierfür ist in Fig. 9 dargestellt, die zeigt, dass ein pulsweitenmoduliertes Signal 120 an die Treiberschaltung 26 abgegeben wird, wenn das sekundäre Steuersignal "niederpegelig" ist.
Drei der vier Kurven in Fig. 10 zeigen drei Durchflussraten über dem Tastverhältnis des sekundären Steuersignals für drei verschiedene sekundäre Impulsformen, welche die in dieser Figur dargestellten entsprechenden durchschnittlichen Elektromagnetströme erzeugen. Die vierte Kurve ist für keine sekundäre Impulsform und entspricht einem sekundären Nullstrom, der durch die Fig. 7 und 8 veranschaulicht wird. Wie ersichtlich, kann die Verwendung eines Impulssignals während der Auszeit des sekundären Steuersignals zu einer Hysterese in den Kurven führen; dies resultiert jedoch immer noch in einer verbesserten Genauigkeit gegenüber einer Lösung, bei der nur ein primäres Steuersignal verwendet wird.
Ausführungsformen, die das Prinzip der Erfindung verwenden, können auf unterschiedliche Weise ausgebildet werden. Da die elektronische Kraftfahrzeugtechnik üblicherweise unterschiedliche Formen elektronischer Mikrokontroller und/oder Prozessoren verwendet, kann die Entwicklung eines elektrischen Steuersignals unter Verwendung herkömmlicher Software-Programmiertechniken erzielt werden, um die erwünschte Signalform oder Signalformen für eine spezielle Steuerstrategie gemäß der Erfindung zu entwickeln, welche in eine spezielle Hardware-Konfiguration eingesetzt wird. Die Erfindung kann auch in anderen Hardwareformen verwirklicht werden, entweder durch die inhärente Konstruktion anderer Hardwareformen und/oder durch die Softwareprogrammierung anderer Hardwareformen. Ein Beispiel einer anderen Hardwareform ist eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC).
Wenngleich die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, versteht es sich jedoch, dass die Erfindung auf dieses Ausführungsbeispiel nicht beschränkt ist. Somit soll die Erfindung unterschiedliche Modifikationen und Anordnungen umfassen, die im Schutzbereich der Ansprüche liegen.

Beschriftung der Zeichnungen:

Fig. 1

ENGINE PARAMETERS = MOTORPARAMETER
DRIVE CIRCUIT = TREIBERSCHALTUNG
INTAKE MANIFOLD VACUUM = SAUGROHR-UNTERDRUCK
ATMOSPHERE BLEED = ATMOSPHÄRISCHE ENTLÜFTUNG
FUEL TANK = KRAFTSTOFFTANK
CARBON CANISTER = KOHLENSTOFFKANISTER

Fig. 2

DUTY CYCLE = TASTVERHÄLTNIS
TYPICAL FLOW CURVE = TYPISCHE DURCHFLUSSKURVE

Fig. 4

SIGNAL AMPLIFIED & CONDITIONED = SIGNALVERSTÄRKT & AUFBEREITET
A/D CONVERTER FOR CURRENT SENSE = A/D-WANDLER FÜR STROMRICHTUNG
PROCESSOR = PROZESSOR
PRIMARY CONTROL SIGNAL = PRIMÄRES STEUERSIGNAL
SECONDARY CONTROL SIGNAL = SEKUNDÄRES STEUERSIGNAL
OTHER INPUTS = ANDERE EINGANGSSIGNALE

Fig. 5

FLOW = DURCHFLUSS
CURRENT = STROM

Fig. 6

SIGNAL AMPLIFIED & CONDITIONED = SIGNALVERSTÄRKT & AUFBEREITET
A/D CONVERTER FOR CURRENT SENSE = A/D-WANDLER FÜR STROMRICHTUNG
PROCESSOR = PROZESSOR
PRIMARY CONTROL SIGNAL = PRIMÄRES STEUERSIGNAL
SECONDARY CONTROL SIGNAL = SEKUNDÄRES STEUERSIGNAL OHER INPUTS = ANDERE EINGANGSSIGNALE

Fig. 7

FLOW = DURCHFLUSS
DUTY CYCLE = TASTVERHÄLTNIS

Fig. 8

SIGNAL TO DRIVER CIRCUIT = SIGNAL FÜR TREIBERSCHALTUNG
SECONDARY CONTROL SIGNAL = SEKUNDÄRES STEUERSIGNAL

Fig. 10

FLOW = DURCHFLUSS
DUTY CYCLE = TASTVERHÄLTNIS

Claims

1. Verfahren zum Betreiben einer elektrisch betriebenen Vorrichtung (14'), die einen elektromechanischen Aktor (S. 44, 46, 48, 50, 52) zum Steuern der Position eines Mechanismus (70, 72, 74, 74a, 74b, 74c, 74d) in Abhängigkeit von einem elektrischen Steuersignal in Form von Spannungsimpulsen aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

a) Entwickeln eines primären Steuersignals (PR);

b) Entwickeln eines sekundären Steuersignals (SE); und

c) Formen des elektrischen Steuersignals aus dem primären und sekundären Steuersignal (PR, SE);

dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt c) umfasst: eine wahlweise Verknüpfung des sekundären Steuersignals (SE) mit dem primären Steuersignal (PR), um das elektrische Steuersignal so zu formen, dass, wenn der Mechanismus (70, 72, 74, 74a, 74b, 74c, 74d) in einem ersten Bereich von Positionen zu positionieren ist, das elektrische Steuersignal nur das primäre Steuersignal (PR) umfasst und, wenn der Mechanismus (70, 72, 74, 74a, 74b, 74c, 74d) in einem zweiten Bereich von Positionen zu positionieren ist, das elektrische Steuersignal eine Verknüpfung zwischen dem primären und sekundären Steuersignal (PR, SE) umfasst.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Verknüpfung zwischen dem primären und sekundären Steuersignal (PR, SE) eine Modulation des primären Steuersignals (PR) durch das sekundäre Steuersignal (SE) umfasst.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das primäre Steuersignal (PR) die Form einer pulsweitenmodulierten Spannung hat.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem das elektrische Steuersignal die Wellenform einer pulsweitenmodulierten Spannung hat, wenn der Mechanismus (70, 72, 74, 74a, 74b, 74c, 74d) in dem ersten Bereich von Positionen zu positionieren ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das sekundäre Steuersignal (SE) die Wellenform einer pulsweitenmodulierten Spannung hat.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das elektrische Steuersignal, wenn der Mechanismus (70, 72, 74, 74a, 74b, 74c, 74d) in dem zweiten Bereich von Positionen zu positionieren ist, die Wellenform aufeinanderfolgender abwechselnder Intervalle hat, in denen ein erstes Intervall eine pulsweitenmodulierte Wellenform entsprechend dem primären Steuersignal (PR) enthält und ein zweites Intervall diese pulsweitenmodulierte Wellenform nicht enthält.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das zweite Intervall eine Spannungsimpuls-Wellenform hat, die verschieden ist von der pulsweitenmodulierten Spannungs- Wellenform des ersten Intervalls.

8. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das elektrische Steuersignal keine Spannungs-Wellenform während des zweiten Intervalls hat.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem das erste und zweite Intervall im wesentlichen die gleiche Dauer haben.

10. Elektrisch betätigte Vorrichtung (14') mit:

einem elektromechanischen Aktor (S. 44, 46, 48, 50, 52) zum wahlweisen Positionieren eines Mechanismus (70, 72, 74, 74a, 74b, 74c, 74d) in Abhängigkeit von einem elektrischen Steuersignal, das eine Wellenform aus Spannungsimpulsen hat, und

Steuermitteln (102, 104, 106, 108, 110, 112, 113) zum Entwickeln eines primären Steuersignals (PR) und eines sekundären Steuersignals (SE), die das elektrische Steuersignal bilden;

dadurch gekennzeichnet, dass, wenn der Mechanismus (70, 72, 74, 74a, 74b, 74c, 74d) in einem ersten Bereich von Positionen zu positionieren ist, die Steuermittel (102, 104, 106, 108, 110, 112, 113) nur das primäre Steuersignal (PR) als das elektrische Steuersignal liefern, und, wenn der Mechanismus (70, 72, 74, 74a, 74b, 74c, 74d) in einem zweiten Bereich von Positionen zu positionieren ist, die Steuermittel (102, 104, 106, 108, 110, 112, 113) eine Verknüpfung zwischen dem primären und sekundären Steuersignal (PR, SE) als das elektrische Steuersignal bewirken.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der die Steuermittel (102, 104, 106, 108, 110, 112, 113) primäre Steuersignalmittel (110) zum Erzeugen des primären Steuersignals (PR), sekundäre Steuersignalmittel (112) zum Erzeugen des sekundären Steuersignals (SE) und Prozessormittel (108) zum Verarbeiten des primären und sekundären Steuersignals (PR, SE) zwecks Ermittlung des elektrischen Steuersignals aufweisen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die Steuermittel (102, 104, 106, 108, 110, 112, 113) eine Rückkopplungskompensationsschleife (102, 104, 106) aufweisen, die ein tertiäres Steuersignal liefert, um das elektrische Steuersignal zu verstellen und dadurch umweltbedingte Änderungen des elektrischen Stroms zu kompensieren, der bei Anlegen des elektrischen Steuersignals an den Aktor (S; 44, 46, 48, 50, 52) fließt.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei der der Aktor (S; 44, 46, 48, 50, 52) ein Linearelektromagnet-Aktor ist, an den das elektrische Steuersignal angelegt wird.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei der der Mechanismus (70, 72, 74, 74a, 74b, 74c, 74d) ein Frequenzansprechverhalten hat, das ihn in die Lage versetzt, der Grundfrequenz des elektrischen Steuersignals genau zu folgen, wenn die Grundfrequenz kleiner als eine erste Frequenz ist, und das ihn unfähig macht, der Grundfrequenz des elektrischen Steuersignals zu folgen, wenn die Grundfrequenz größer als eine zweite Frequenz ist, wobei die zweite Frequenz größer als die erste Frequenz ist, derart, dass sie, wenn sie an den Mechanismus (70, 72, 74, 74a, 74b, 74c, 74d) angelegt wird, den Mechanismus (70, 72, 74, 74a, 74b, 74c, 74d) in einer Position entsprechend einem letzten zeitlichen Mittelwert des elektrischen Steuersignals positioniert, wobei der Mechanismus (70, 72, 74, 74a, 74b, 74c, 74d) den Output der Vorrichtung (14') mit dem elektrischen Steuersignal in Beziehung setzt, und zwar als Funktion des elektrischen Steuersignals, das besteht aus dem zeitlich gemittelten elektrischen Gleichstromfluss mit einem ersten Bereich, in dem eine vorgegebene inkrementale Änderung des zeitlich gemittelten elektrischen Gleichstromflusses eine inkrementale Änderung des Outputs innerhalb eines ersten Bereichs inkrementaler Outputänderungen bewirkt, und einem zweiten Bereich, in dem dieselbe vorgegebene inkrementale Änderung des zeitlich gemittelten elektrischen Gleichstromflusses eine inkrementale Änderung des Outputs innerhalb eines zweiten Bereichs inkrementaler Outputänderungen bewirkt, wobei der zweite Bereich inkrementaler Änderungen inkrementale Outputänderungen umfassen, die beträchtlich verstärkt sind gegenüber denen des ersten Bereichs inkrementaler Outputänderungen, und bei der die Vorrichtung die inkrementalen Outputänderungen des zweiten Bereichs dämpft.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, bei der die Vorrichtung (14') ein elektrisch betriebenes Durchflusssteuerventil aufweist und der Mechanismus (70, 72, 74, 74a, 74b, 74c, 74d) einen Ventilmechanismus zum Steuern des Durchflusses durch das Durchflusssteuerventil (14') aufweist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der der Ventilmechanismus (70, 72, 74, 74a, 74b, 74c, 74d) das Durchflusssteuerventil (14') schließt, wenn das elektrische Steuersignal nicht an ihm angelegt wird, wobei der zweite Bereich, der während einer ersten Positionierungsspanne des Ventilmechanismus (70, 72, 74, 74a, 74b, 74c, 74d) auftritt, von einer Schließstellung aus verläuft, und der erste Bereich, der während einer zweiten Positionierungsspanne des Ventilmechanismus (70, 72, 74, 74a, 74b, 74c, 74d) auftritt, von der ersten Positionierungsspanne aus verläuft.

17. Anlage für ein Kraftfahrzeug mit einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 16.

18. Anlage nach Anspruch 17, bei der die Anlage eine Emissionssteueranlage (10) aufweist.