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 Absperrkörper aufweist.

Auf dem Gebiet der Kraftstoffeinspritzsysteme für Brennkraftmaschinen sind in den letzten Jahren zunehmend Hochdruckspeicherkonzepte in den Vordergrund gerückt, die im wesentlichen aus einer Hochdruckpumpe, einem Hochdruckspeicher, Einspritzventilen und einer elektronischen Steuereinrichtung mit Sensoren bestehen.

Um den Druck im Hochdruckspeicher, der den Einspritzdruck bestimmt, präzise und schnell an die jeweiligen Betriebsbedingungen 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 Hochdruckspeicher benötigt wird, in den Kraftstoffvorratsbehälter zurückgeführt wird.

Der Haltedruck im Druckstellglied wird von der elektronischen Steuereinheit der Brennkraftmaschine entsprechend einem von einem Drucksensor im Hochdruckspeicher gemessenen Istwert und dem im jeweiligen Betriebszustand der Brennkraftmaschine gewünschten Sollwert geregelt.

Da die in den Druckstellgliedern verwendeten Magnetspulen aus einem leitenden Werkstoff gefertigt sind, dessen spezifischer 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 Spulenwicklung zu einer Änderung des durch die Magnetspule fließenden Stroms und damit der resultierenden Haltekraft im Druckstellglied. 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 Druckstellglied-Regeleinheit der elektronischen Steuereinheit der Brennkraftmaschine eine Nachregelung vornehmen, um den gewünschten Druck im Druckspeicher einstellen zu können. Diese Nachregelung führt jedoch zu einer Verschlechterung der Regeldynamik des Druckstellglied, so daß der für die Betriebsbedingung optimale Druck im Hochdruckspeicher nur verzögert erreicht wird. Um hierbei keine zu große Verzögerung bei der Druckregelung im Hochdruckspeicher auftreten zu lassen, werden 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 Stellgeschwindigkeiten vergrößern jedoch die Gefahr eines Überschwingens bei der Druckregelung und beeinträchtigen somit die Stabilität des Regelkreises. Außerdem führen große Stellgeschwindigkeiten oft zu sehr hohen Stromspitzen in der Magnetspule des Druckstellgliedes, die Beschädigungen hervorrufen können.

Aus der DE-A-195 48 278 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Regeln eines an einen Hochdruckspeicher angeschlossenen Hochdruckregelventils bekannt, bei dem ein im elektromagnetischen Antrieb des Hochdruckregelventils erfaßter Stromwert mit einem aus einem gewünschten Solldruckwert abgeleiteten Sollstromwert verglichen und bei einer Abweichung der durch den elektromagnetischen Antrieb des Hochdruckregelventils fließende Stromwert nachgeregelt wird.

Es ist aus WO 96/03577 eine Regelung für ein an einen Hochdruckspeicher angeschlossenes Hochdruckregelventil bekannt, bei dem die Regelgröße eine dem Antrieb des Hochdruckregelventils zugeführte Spannung ist. Die Regelung funktioniert in der Weise, dass ein gewünschter Solldruckwert mittels einer Spannungssteuerung in einen Haltedruck des Hochdruckregelventils umgesetzt wird, wobei der Solldruckwert mit dem tatsächlichen im Hochdruckspeicher herrschenden Druckwert verglichen und die Spannungsregelung des Andrucks entsprechend angepasst wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Regeln eines Druckstellglieds für einen Hochdruckspeicher bereitzustellen, die eine optimale Regeldynamik zeigen und gleichzeitig zuverlässig Beschädigungen des Druckstellglieds vermeiden.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 4 gelöst. Gemäß der Erfindung wird ein Druckstellglied über eine Kaskadenregelung eingestellt, wobei eine erste Regeleinrichtung einen in einem Hochdruckspeicher erfaßten Druckwert mit einem Sollwert vergleicht und abhängig von diesem Vergleich ein Ansteuersignal mit einem Sollstromwert für eine Magnetspule des elektromagnetisch betätigen Druckstellgliedes bestimmt und eine zweite nachgeschaltete Regeleinrichtung einen in der Magnetspule fließenden Stromwert erfaßt und mit dem Stromsollwert vergleicht und abhängig von diesem Vergleich eine Anpassung des Stromwertes in der Magnetspule vornimmt. Durch diese erfindungsgemäße Kaskadenregelung des elektromagnetisch angetriebenen 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 Druckeinstellung im Hochdruckspeicher verkürzen. Weiterhin zeichnet sich die erfindungsgemäße Regelung durch eine hohe Regelstabilität aus, da bereits bei kleinen Stellgeschwindigkeiten des Druckstellgliedes eine ausreichende Regeldynamik erzielt wird. Darüber hinaus werden auch hohe Stromspitzen in der Magnetspule, 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

• Figur 1 eine schematische Darstellung eines Kraftstoffeinspritzsystems;
• Figur 2 eine schematische Darstellung eines Druckregelventils; und
• Figur 3 eine schematische Blockdarstellung der erfindungsgemäßen Druckregelung.

Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Kraftstoffeinspritzsystems, wie es unter der Bezeichnung Common-Rail-System vor allem bei Dieselmotoren eingesetzt wird. Bei diesem Einspritzsystem wird Kraftstoff aus einem Kraftstoffvorratsbehälter 10 über eine Kraftstoffleitung 11 mittels einer Vorförderpumpe 12 angesaugt und von dieser über ein Kraftstoffilter 13 zu einer Hochdruckpumpe 15 gefördert. Die Hochdruckpumpe 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 gezeigt) eingespritzt wird. Der Einspritzvorgang wird durch eine elektronische Steuereinheit 19 ausgelöst, die über Signalleitungen 20 mit den Einspritzventilen 18 verbunden ist. Der in den Einspritzventilen 18 auftretende Leckagestrom wird über Kraftstoffleitungen 21 in den Kraftstoffbehälter 10 zurückgeführt.

Um den Volumenstrom der Hochdruckpumpe 15 entsprechend den jeweiligen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine bedarfsabhängig einstellen zu können, ist bei der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform in der Kraftstoffleitung 11 zwischen der Vorförderpumpe 12 und der Hochdruckpumpe 15 ein zusätzliches Saugdrosselventil 14 angeordnet, das von der elektronischen Steuereinheit 19 über eine Steuerleitung 22 angesteuert wird und den Förderstrom der Hochdruckpumpe 15 regelt.

Für die Druckregelung im Hochdruckspeicher 17 entsprechend den gewünschten Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine, ist weiterhin zwischen der Hochdruckpumpe 15 und dem Druckspeicher 17 ein Druckregelventil 16 in die Kraftstoffleitung 11 geschaltet. Dieses Druckregelventil 16 steuert über eine Kraftstoffleitung 25 überschüssigen Kraftstoff, der nicht zur Aufrechterhaltung des im Hochdruckspeicher 17 gewünschten Drucks benötigt wird, in den Kraftstoffvorratsbehälter 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 Drucksensor 23 gemessen wird, eingestellt.

Figur 2 zeigt schematisch den Aufbau des Druckregelventils 16. Dieses Druckregelventil 16 weist ein Ventilgehäuse 161 mit einer Einlaßöffnung 162 auf, die über eine Kraftstoffleitung 111 mit dem Hochdruckspeicher 17 verbunden ist. Im Ventilgehäuse 161 ist weiterhin eine Auslaßöffnung 168 angebracht, die an die in den Kraftstoffvorratsbehälter 10 rückführende Kraftstoffleitung 25 angeschlossen ist. Die Einlaßöffnung 162 weist einen sich kegelförmig nach innen öffnenden Dichtsitz auf, in den ein ebenfalls kegelförmig ausgebildeter Absperrkörper 163 eingreift. Dieser Absperrkörper 163 sitzt mit seiner Grundfläche auf einem Ende einer Schließstange 164, die mit ihrem anderen Ende durch eine Bohrung aus dem Ventilgehäuse 161 herausragt. Zwischen dem Ventilgehäuse 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, wobei zwischen diesem Magnetanker 165 und dem Ventilgehäuse 161 um die Schließstange 164 herum eine stromführende Magnetspule 167 vorgesehen ist.

Das in Figur 2 schematisch gezeigte Druckregelventil 16 arbeitet wie folgt: In Schließrichtung wirkt auf den Absperrkörper 163 eine Haltekraft, die sich aus der von der Feder 166 beaufschlagten Federkraft und der von der stromführenden Magnetspule 167 erzeugte Ankerkraft zusammensetzt. In Öffnungsrichtung dagegen greift am Absperrkörper 163 der im Hochdruckspeicher 17 herrschende Kraftstoffdruck über die Kraftstoffleitung 111 an. Überschreitet die aus dem Kraftstoffdruck 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 Kraftstoff 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 beaufschlagt. Durch Ändern des Tastverhältnisses dieses pulsweiten-modulierten Ansteuersignals und damit der Stromimpulsdauer für die Magnetspule 167 paßt die Regeleinheit der elektronischen 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 besteht, wie das Blockschaltbild in Figur 3 zeigt, aus einer Kaskadenschaltung eines Reglers 191 und eines nachgeschalteten Stromreglers 192, wobei folgender Regelvorgang durchgeführt 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 abhängen.

Zur Regelung des Druckregelventils 16 wird, wie das Blockschaltbild in Figur 3 weiter zeigt, der im Hochdruckspeicher 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 mehrdimensionales Datenfeld ausgelegten Speichereinrichtung entsprechend den Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine, insbesondere deren Last oder Drehzahl. Der Regler 191, der vorzugsweise 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:

• p_dif = Differenzdruckwert;
• K_P = ein vorgebener Verstärkungsfaktor;
• T_n = eine vorgegebene Nachstellzeit.

Der Verstärkungsfaktor und die Nachstellzeit werden dabei entsprechend dem gewünschten Regelverhalten des Druckregelventils 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 Impulsdauer, 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 Magnetspule 167 abgegebene Regelwert weist dabei weiterhin einen festen Stromwert auf. Durch die Bestromung der Magnetspule 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 entgegenwirkende Haltekraft 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 Hochdruckspeicher 17 herrschenden Druck fest.

Der durch die Magnetspule 167 fließende Strom führt jedoch zu einer Wärmeentwicklung in der Magnetspule 16 aufgrund der in den stromführenden Spulenelementen auftretenden Widerstandsheizung. Diese Wärmeentwicklung beeinflußt wiederum den temperaturabhängigen spezifischen Widerstand der stromführenden Elemente in der Magnetspule 16, wobei bei den herkömmlicherweise verwendeten stromführenden Elementen der Widerstand mit der Temperatur ansteigt. Dieser durch die Wärmeentwicklung hervorgerufene Anstieg des Widerstandes in den stromführenden 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 Druckerniedrigung im Hochdruckspeicher 17 führt.

Um die durch die Temperaturabhängigkeit des durch die Magnetspule 167 fließenden Stroms hervorgerufene Regelabweichung auszugleichen, wird der durch die Spule fließende Stromwert mittels eines Strommessers 193 bestimmt und in einem Stromregler 192 mit dem Sollstromwert verglichen. Dieser Stromregler 192 gleicht dann eine Differenz zwischen dem gemessenen Stromwert und dem Sollstromwert durch eine zusätzliche Stromabgabe an die Magnetspule 167 aus, so daß sich wieder die gewünschte Haltekraft im Druckregelventil 16 einstellt.

Durch die erfindungsgemäße zusätzliche Meßgröße Magnetstromwert und deren Nachregelung in einem Unterregelkreis werden die durch die Temperaturabhängigkeit des durch die Magnetspule fließenden Stroms hervorgerufenen Störeinflüsse auf die Regelung des Druckregelventils 16 kompensiert, so daß sich ein sehr schneller Regelkreis mit einer hohen Regeldynamik 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 integriert werden. Weiterhin läßt sich die erfindungsgemäße Druckregelung bei allen Arten von Druckregelorganen mit elektromagnetischem Antrieb in Brennkraftmaschinen durchführen.