СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ РЕГУЛИРУЮЩИМ РАСХОД КЛАПАНОМ
METHOD AND DEVICE FOR CONTROLLING QUANTITY CONTROL VALVE

Уровень техники
Настоящее изобретение относится к способу управления регулирующим расход клапаном насоса высокого давления согласно ограничительной части п. 1 формулы изобретения. Объектами настоящего изобретения являются далее компьютерная программа, электронный носитель информации, а также управляющее и регулирующее устройство.
В DE 10148218 А1 описан способ управления работой системы впрыскивания топлива с использованием регулирующего расход клапана. Такой известный регулирующий расход клапан выполнен в виде приводимого в действие катушкой электромагнитного клапана с якорем и соответствующими ограничивающими его ход упорами. На рынке известны регулирующие расход клапаны, которые закрыты в обесточенном состоянии катушки (нормально закрытые клапаны). В этом случае для открытия регулирующего расход клапана на катушку подается постоянное напряжение или импульсное напряжение (широтно-импульсная модуляция, ШИМ), вследствие чего ток в катушке нарастает характерным образом. После прекращения подачи напряжения ток в катушке вновь спадает характерным образом, в результате чего регулирующий расход клапан закрывается. Равным образом известны электромагнитные клапаны, которые закрыты при нахождении катушки под напряжением (нормально открытые клапаны). Управление такими электромагнитными клапанами осуществляется соответствующим образом, однако в отличие от нормально закрытого клапана подобный электромагнитный клапан открывается при прекращении подачи напряжения на катушку и при характерном спадании тока в ней.
У описанного в DE 10148218 А1 нормально закрытого регулирующего расход клапана во избежание удара якоря на полной скорости в упор при открытии этого клапана, что могло бы приводить к возникновению отчетливо различимого шума, на электромагнитное приводное устройство незадолго до окончания хода открытия вновь подается импульс тока. В результате подачи такого импульса тока на якорь еще до его соприкосновения с упором начинает воздействовать тормозная сила. Под действием этой тормозной силы скорость якоря снижается с сопутствующим уменьшением уровня шума, возникающего при контакте якоря с упором.
В современных системах с непосредственным впрыскиванием топлива в двигатель и с подачей топлива, регулируемой в зависимости от потребности в нем, используется насос высокого давления для создания необходимого давления топлива. Такой насос высокого давления работает при этом с количественным регулированием, для чего объемная подача насоса может настраиваться регулирующим расход клапаном на величину в пределах от 0 до 100%. Управлению этим регулирующим расход клапаном придается особое значение, поскольку процесс его переключения должен вследствие высокой частоты вращения вала двигателя и связанной с этим высокой частоты подачи управляющего сигнала происходить за исключительно короткий период времени и несмотря на высокие создаваемые электромагнитным приводом усилия без слишком значительного увеличения флуктуаций от одного хода к другому и тем самым колебаний объемной подачи. Такие колебания привели бы к недостаточному уровню давления в общей топливной магистрали высокого давления. С другой стороны, при малых частотах вращения вала двигателя предъявляются особо высокие требования к шумности работы насоса высокого давления. По этой причине уже были разработаны многочисленные концепции управления, направленные на снижение ударной динамики и тем самым на снижение уровня акустического шума. При этом у электромагнитного привода замедляются движение притягивания якоря и движение его отпускания.
В DE 102009046825 А1 описана концепция управления регулирующим расход клапаном, называемая также плавной остановкой подачей тока (англ. "current soft stop" или сокращенно CSS).
Обычно регулирующий расход клапан удерживается после прохождения верхней мертвой точки в своем закрытом состоянии давлением в надплунжерном пространстве насоса высокого давления. При падении давления в надплунжерном пространстве клапанный элемент (затвор) регулирующего расход клапана под действием усилия пружины возвращается без торможения (без демпфирования в конце хода) в свое исходное, обесточенное открытое положение. При использовании CSS-метода на регулирующий расход клапан в некоторый период времени после прохождения верхней мертвой точки подается удерживающий ток, благодаря которому клапанный элемент регулирующего расход клапана все еще не возвращается непосредственно в свое открытое положение. Лишь после снижения давления в надплунжерном пространстве ток уменьшают характерным образом, в результате чего клапанный элемент регулирующего расход клапана отпускается при подаче такого слабого тока и возвращается в обесточенное открытое положение. При этом взаимоиндукция и ток, подаваемый на регулирующий расход клапан, обеспечивают торможение его клапанного элемента, соударение которого с упором происходит благодаря этому с существенно меньшей скоростью и поэтому тише. Величину удерживающего тока необходимо знать максимально точно для возможности максимально точной настройки токов для удержания и для начала перемещения клапанного элемента. Подача тока должна вновь прекращаться перед следующей нижней мертвой точкой во избежание нарушения следующего цикла подачи топлива.
Проблематичным при этом является то обстоятельство, что при слишком слабом токе CSS-метод обеспечивает лишь незначительные улучшения шумовых показателей, тогда как слишком сильные токи не позволяют добиться никакого улучшения, соответственно могут даже приводить к ухудшению шумовых показателей и возрастанию давления в общей топливной магистрали высокого давления. Причина этого состоит в том, что регулирующий расход клапан при подаче на него слишком сильных токов остается закрытым и не открывается.
Поскольку в параметризации тока необходимо учитывать разброс параметров отдельных экземпляров однотипных приборов, т.е. в данном случае однотипных регулирующих расход клапанов, достижимый эффект при таких условиях оказался бы ограниченным по той причине, что обычно ток параметрируют с таким расчетом, чтобы обеспечивалось надежное открытие регулирующего расход клапана. Сказанное означает, что выбирался бы скорее слишком слабый ток. В этом случае при таком слабом токе при определенных условиях достигается лишь незначительное улучшение шумовых показателей.
Краткое изложение сущности изобретения
В изобретении предлагается способ управления регулирующим расход клапаном, который при подаче на него управляющего сигнала с первым управляющим значением устанавливается в закрытое состояние, а подача управляющего сигнала со вторым управляющим значением позволяет регулирующему расход клапану устанавливаться в открытое состояние.
Благодаря определению предельного удерживающего тока, при котором регулирующий расход клапан все еще остается в своем закрытом состоянии или как раз открывается, удается существенно улучшить управление регулирующим расход клапаном с явным улучшением его шумовых, соответственно акустических характеристик.
Поскольку свойства регулирующих расход клапанов варьируются от одного экземпляра к другому, эффективное снижение уровня шума, возникающего при соударении клапанного элемента регулирующего расход клапана с упором, достигается в том случае, когда при подаче тока учитывают свойства отдельных экземпляров регулирующих расход клапанов, такие как предельный удерживающий ток.
Благодаря предлагаемым в изобретении управлению и адаптации уровень тока, соответственно предварительно отрегулированную ШИМ-сигналом подачу тока на регулирующий расход клапан согласуют с технологическими погрешностями изготовления каждого экземпляра таким образом, что CSS-метод оптимально выполняет свою функцию по улучшению шумовых показателей.
Особенно предпочтителен вариант, в котором предельный удерживающий ток определяют исходя из пропорционального давлению топлива сигнала. Поскольку в данном случае обрабатывают пропорциональный давлению топлива сигнал, не требуются никакие другие датчики. Помимо этого такой сигнал несет достаточно точную информацию о давлении топлива.
Возрастание давления можно обнаруживать простым путем в том случае, когда подачу тока на регулирующий расход клапан продлевают на время после прохождения нижней мертвой точки.
Особенно предпочтителен вариант, в котором управляющее значение повышают начиная с исходного значения, при котором регулирующий расход клапан остается открытым, до тех пор, пока не произойдет увеличение пропорционального давлению топлива сигнала, а предельный удерживающий ток определяют при этом на основании управляющего сигнала, при котором происходит возрастание давления. В этом случае создаются лишь незначительные помехи в работе системы впрыскивания топлива и не ухудшаются динамические свойства транспортного средства.
В альтернативном варианте управляющее значение уменьшают начиная с исходного значения, при котором регулирующий расход клапан остается закрытым, до тех пор, пока не произойдет уменьшение пропорционального давлению топлива сигнала, а предельный удерживающий ток определяют при этом на основании управляющего сигнала, при котором происходит падение давления.
Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере некоторых вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:
на фиг. 1 - схематичный вид системы впрыскивания топлива в двигатель внутреннего сгорания с насосом высокого давления и регулирующим расход клапаном,
на фиг. 2 - схематичное представление связи между управляющим сигналом и состоянием регулирующего расход клапана,
на фиг. 3 - еще одно схематичное представление связи между  характеристикой управляющего сигнала и  характеристикой состояния регулирующего расход клапана и
на фиг. 4 - блок-схема, иллюстрирующая предлагаемый в изобретении подход.
На фиг. 1 показана система впрыскивания топлива, которая в целом обозначена позицией 10. Такая система впрыскивания топлива имеет электрический топливный насос 12, которым подается топливо из топливного бака 14 в насос 16 высокого давления. Насос 16 высокого давления повышает давление топлива до очень высокого уровня и подает его далее в общую топливную магистраль 18 высокого давления, называемую также топливным аккумулятором высокого давления, а также топливной рампой. К ней подсоединены несколько топливных форсунок 20, которыми топливо впрыскивается в соответствующие им камеры сгорания. Давление в общей топливной магистрали 18 высокого давления измеряется датчиком 22 давления.
Насос 16 высокого давления представляет собой плунжерный насос с плунжером 24, который может не показанным на чертеже кулачковым валом приводиться в возвратно-поступательное движение (двунаправленная стрелка 26). Плунжер 24 насоса ограничивает надплунжерное пространство 28, которое может через регулирующий расход клапан 30 соединяться с выходом электрического топливного насоса 12. Надплунжерное пространство 28 может далее через нагнетательный (или выпускной) клапан 32 соединяться с общей топливной магистралью 18 высокого давления.
Регулирующий расход клапан 30 имеет, например, электромагнитное приводное устройство 34, которое в запитанном состоянии преодолевает усилие пружины 36. В рассматриваемом варианте регулирующий расход клапан 30 открыт в обесточенном состоянии, т.е. представляет собой нормально открытый клапан, а в запитанном состоянии он выполняет функцию обычного всасывающего (или впускного) обратного клапана.
Насос 16 высокого давления и регулирующий расход клапан 30 работают следующим образом (см. фиг. 2).
На фиг. 2 вверху показан график изменения положения плунжера 24 в пределах величины его хода, а ниже показана характеристика управляющего сигнала в функции времени. Управляющий сигнал обозначен буквой "А". Значение (или уровень) управляющего сигнала находится между первым управляющим значением, которое на фиг. 2 обозначено через "0", и вторым управляющим значением, которое на фиг. 2 обозначено через "1". Первое управляющее значение соответствует, например, обесточенному состоянию электромагнитного приводного устройства 34, а второе управляющее значение - запитанному состоянию. В последующем описании исходят из этого примера.
Помимо этого на чертеже схематично показан насос 16 высокого давления в различных рабочих состояниях. На ходе всасывания (левое изображение на фиг. 2) катушка 44 электромагнитного приводного устройства обесточена, и поэтому приводной толкатель 48 прижимается пружиной 36 к клапанному элементу (затвору) 38 и перемещает его в открытое положение. Благодаря этому топливо может поступать из электрического топливного насоса 12 в надплунжерное пространство 28. По достижении плунжером 24 нижней мертвой точки UT начинается его ход нагнетания. Такому ходу нагнетания на фиг.2 соответствует изображение в центре. Катушка 44 остается при этом обесточена, и поэтому регулирующий расход клапан 30 продолжает оставаться принудительно открытым. Топливо вытесняется плунжером 24 через открытый регулирующий расход клапан 30 в направлении электрического топливного насоса 12. Нагнетательный клапан 32 остается закрытым. Подача топлива в общую топливную магистраль 18 высокого давления не происходит. В момент tl начинается запитывание катушки 44, в результате чего приводной толкатель 48 отводится от клапанного элемента 38. При этом в данном случае следует отметить, что на фиг. 2 характеристика запитывания катушки 44 представлена лишь схематично. Следует также отметить, что фактический ток в катушке не постоянен, а из-за эффектов взаимоиндукции при определенных условиях имеет характеристику, соответствующую характеристике типичных неустановившихся процессов. Кроме того, при использовании управляющего напряжения с его широтно-импульсной модуляцией ток в катушке имеет волнообразную, соответственно пилообразную характеристику.
Варьируя момент tl, влияют на количество топлива, подаваемое насосом 16 высокого давления в общую топливную магистраль 18 высокого давления. Момент tl задается управляющим и регулирующим устройством 54 (фиг. 1) таким образом, чтобы фактическое давление в общей топливной магистрали 18 высокого давления максимально точно соответствовало заданному давлению. Для этого в управляющем и регулирующем устройстве 54 обрабатываются сигналы, поступающие от датчика 22 давления.
Под действием давления в надплунжерном пространстве 28 клапанный элемент 38 прилегает к своему седлу 42, т.е. регулирующий расход клапан 30 закрыт.В результате в надплунжерном пространстве 28 может создаваться давление, приводящее к открытию нагнетательного клапана 32 и подаче топлива в общую топливную магистраль 18 высокого давления. Данному состоянию на фиг. 2 соответствует изображение справа. Вскоре после достижения плунжером 24 своей верхней мертвой точки ОТ подача тока на катушку 44 прекращается, в результате чего регулирующий расход клапан 30 вновь устанавливается в свое принудительно открытое положение.
При прекращении подачи тока на катушку 44 приводной толкатель 48 перемещается к первому упору 50. Для снижения скорости соударения с первым упором 50 формируют сигнал с временно падающей характеристикой 56, при подаче которого уменьшается скорость перемещения приводного толкателя 48 перед его соударением с первым упором 50. Во время подачи управляющего сигнала со второй падающей характеристикой 58 его значение в конечном итоге достигает первого управляющего значения. Изменение уровня управляющего сигнала в соответствии с такой второй падающей характеристикой 58 может обеспечиваться, например, путем быстрого уменьшения тока в катушке электромагнитного приводного устройства 34.
На фиг. 3 показаны выбранная в качестве примера временная характеристика 100 обозначенного через "А" управляющего сигнала и временная характеристика 102 обозначенного через "Z" состояния регулирующего расход клапана 30. В момент tl значение (или уровень) управляющего сигнала повышают со второго управляющего значения (или уровня) 64 до первого управляющего значения (или уровня) 66. В результате этого регулирующий расход клапан 30 переключается из открытого состояния 60 в закрытое состояние 62 и закрывается в момент 104. На протяжении периода 106 удержания регулирующий расход клапан 30 остается закрытым. Ввиду действующего в надплунжерном пространстве 28 давления, которым регулирующий расход клапан 30 удерживается в закрытом состоянии, управляющий сигнал может в течение промежутка 108 времени принимать второе управляющее значение 64, т.е., например, значение, соответствующее обесточенному состоянию. В другом варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа можно и в течение промежутка 108 времени сохранять далее удерживающий ток путем подачи управляющего сигнала с первым управляющим значением. Перед достижением плунжером 24 своей верхней мертвой точки 120, соответственно перед открытием 122 нагнетательного клапана 32 значение управляющего сигнала вновь повышается до первого управляющего значения 66. Начиная с момента 82 происходит повторное управление. Для значительного снижения уровня создаваемого шума согласно изобретению значение управляющего сигнала в момент, в который давление в надплунжерном пространстве 28 снизилось настолько, что оно более не удерживает регулирующий расход клапан 30 в закрытом состоянии 62, задается исходя из предельного удерживающего тока.
Предельный удерживающий ток представляет собой удерживающий ток, при котором регулирующий расход клапан остается при предшествующем запитывании в закрытом состоянии. При подаче тока, сила которого больше предельного удерживающего тока, регулирующий расход клапан остается закрытым. При подаче же тока, сила которого меньше предельного удерживающего тока, регулирующий расход клапан открывается.
Для определения того, находится ли сила подаваемого непосредственно в данное время тока выше или ниже предельного удерживающего тока, подачу тока продлевают на время после достижения плунжером насоса высокого давления своей нижней мертвой точки. В том случае, если регулирующий расход клапан все еще остается закрытым, поскольку ток превышает предельный удерживающий ток, происходит полная подача топлива насосом высокого давления. Такую полную подачу можно легко обнаружить по возрастанию давления в общей топливной магистрали с помощью датчика давления в ней. В том же случае, когда ток меньше предельного удерживающего тока, не происходит никакой подачи топлива и не наблюдается никакое возрастание давления в общей топливной магистрали.
При осуществлении предлагаемого в изобретении способа подаваемый в продленном режиме ток постоянно повышают последовательно от одного цикла подачи топлива к следующему начиная с того уровня, при котором регулирующий расход клапан надежно открывается, до тех пор, пока не будет обнаружено возрастание давления в общей топливной магистрали. Таким путем при конкретных граничных условиях регистрируют предельный удерживающий ток, соответствующий фактическому экземпляру регулирующего расход клапана.
В альтернативном варианте можно также постоянно снижать ток последовательно от одного цикла подачи топлива к следующему начиная с того уровня, при котором регулирующий расход клапан остается закрытым, до тех пор, пока не будет обнаружено падение давления в общей топливной магистрали.
Ниже в качестве примера со ссылкой на фиг. 4 описан один из вариантов осуществления предлагаемого в изобретении подхода.
На первой стадии 300 начинают процесс адаптации. При последующем опросе на стадии 305 проверяют, соблюдены ли начальные условия для проведения процесса адаптации.
Начальным условиям должны соответствовать максимально однородные граничные условия для процесса адаптации. Поэтому адаптацию проводят лишь в определенном диапазоне частоты вращения вала двигателя, определенном диапазоне скорости движения транспортного средства, определенном диапазоне напряжения аккумулятора, определенном диапазоне давления в общей топливной магистрали, определенном диапазоне нагрузки, определенном диапазоне температуры, предпочтительно при работе двигателя в режиме холостого хода, но равным образом и при равномерном движении с малой скоростью. Помимо этого не должна изменяться величина заданного давления в общей топливной магистрали.
На следующей стадии 310 задают исходное значение для удерживающего тока. Помимо этого подачу тока (запитывание) продлевают на время после достижения плунжером насоса высокого давления своей нижней мертвой точки. Достигаемый в результате эффект состоит в том, что регулирующий расход клапан остается при соответствующем запитывании в закрытом состоянии до следующего хода нагнетания, который начинается после прохождения плунжером своей нижней мертвой точки. Регулирующий расход клапан при подаче на него тока, значение которого больше предельного удерживающего тока, остается в этом случае закрытым, и поэтому давление в общей топливной магистрали возрастает. При подаче же на регулирующий расход клапан тока, значение которого меньше предельного удерживающего тока, регулирующий расход клапан может открыться, когда давление упало. В предпочтительном варианте исходное значение удерживающего тока задают таким, что регулирующий расход клапан открывается, когда давление упало.
На стадии 315 ток дискретно увеличивают на определенную величину приращения. На следующей стадии 320 определяют давление в общей топливной магистрали, расположенной в контуре высокого давления за насосом высокого давления.
Затем при опросе на стадии 325 проверяют, возросло ли давление в общей топливной магистрали. Для этого, например, проверяют, превышает ли градиент давления в общей топливной магистрали некоторое пороговое значение, соответственно проверяют, возросло ли давление в общей топливной магистрали после последнего его определения до уровня, превышающего некоторое пороговое значение.
В случае отрицательного ответа при указанном опросе, т.е. в случае, когда не происходит никакого возрастания давления, осуществляется переход к стадии 315, на которой ток дискретно увеличивают на определенную величину приращения. В том же случае, если на стадии 325 устанавливают факт возрастания давления в общей топливной магистрали, осуществляется переход к стадии 330.
На стадии 330 завершают адаптацию. Фактическое значение (силы) тока, соответственно значение (силы) тока перед его последним приращением, используют в качестве предельного удерживающего тока. Альтернативно этому в качестве предельного удерживающего тока можно также использовать значение, вычисленное на основании обоих указанных значений, прежде всего среднее значение, полученное усреднением по обоим этим значениям.
На стадии 335 определяют параметры для подачи тока (запитывания) для CSS-процесса исходя из предельного удерживающего тока. Помимо этого длительность подачи тока возвращают на нормальное значение.
На следующей стадии 340 завершают осуществление предлагаемого в изобретении способа.
Определенный описанным выше путем предельный удерживающий ток используют затем для корректного управления CSS-процессом, рассчитывая или корректируя подачу тока в CSS-процессе в зависимости от полученного значения этого предельного удерживающего тока.
Удерживающий ток перед CSS-фазой, что соответствует промежутку времени перед падением давления в надплунжерном пространстве, выбирают увеличенным на приемлемую величину относительно определенного предельного удерживающего тока с целью обеспечить тем самым надежное удержание регулирующего расход клапана в закрытом состоянии. Значение тока для целенаправленного возврата регулирующего расход клапана в открытое состояние выбирают, например, как ток, уменьшенный на приемлемую величину относительно определенного предельного удерживающего тока. Таким путем, с одной стороны, должно обеспечиваться надежное удержание регулирующего расход клапана в открытом состоянии до момента, в который должно начаться перемещение его клапанного элемента, а с другой стороны, должно обеспечиваться максимальное тормозящее действие тока при перемещении клапанного элемента регулирующего расход клапана. В этой фазе ток выбирают чуть меньше удерживающего тока, необходимого для данного экземпляра регулирующего расход клапана.
Полученная путем адаптации вышеописанным способом характеристика конкретного экземпляра регулирующего расход клапана может использоваться не только для совершенствования CSS-метода. Дополнительным применением было бы определение предельного удерживающего тока для снижения эффективного уровня тока, а также для снижения мощности потерь в рамках обычного управления.