Weiterentwicklung des elektronisch geregelten
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Weiterentwicklung des elektronisch geregelten
Elektronisch geregelte Dieseleinspritzpumpe mm M ¡e heut findliche: ¿lieselein neben de tormanaj eine Reif zum Fa werden 1 gum M Funktior Von Hans-Peter Bauer, Joachim Berger, Werner Fischer und Peter Wannenwetsch Das seit Jahren in der Serie bewährte System der elektronisch geregelten DieselVerteilereinspritzpumpe der Robert Bosch GmbH wurde weiterentwickelt. Kernstück der elektronischen Regelung ist ein DrehmagnetStellwerk, in dem für die Positions-Rückmeldung ein Halbdifferential-Kurzschlußringgeber (HDK) verwendet wird. Der Geber ist berührungslos und damit prinzipbedingt verschleißfrei und unempfindlich gegenüber Veränderungen und Verunreinigungen des Kraftstoffs etwa durch Wasser. ¡muiui Weiterentwicklung des elektronisch geregelten Verteilereinspritzpumpe\ Systems Das Fa) gende F - Aktiv schwi - Fahrg - Anste Abscl maan stand Diebs - Verar von i steue tviebs - Eiger 1 Einleitung Mit steigenden Anforderungen bezüglich Abgas, Wirtschaftlichkeit und Fahrkomfort des Dieselmotors werden mechanisch geregelte Einspritzpumpen immer stärker durch Systeme mit elektromagnetischen Stellern und elektronischer Regelung abgelöst. An die in den Regelkreisen eingesetzten Rückmelder für Weg oder Winkel werden höchste Anforderungen gestellt: - hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit - verschleißfreier Betrieb - hohe Störsicherheit - breiter Betriebstemperaturbereich - hohe Schüttelbelastbarkeit - Korrosionsbeständigkeit - Unempfindlichkeit gegen Veränderungen und Verunreinigungen des Kraftstoffs. Bei der elektronisch geregelten Verteilereinspritzpumpe wurde die Positionsrückmeldung weiterentwickelt. Ein berührungsloses Geberprinzip, welches schon seit mehreren Jahren mit positiver 240 - Menge _ Startrr torterr - Anpas an dii dingui Drehz _ Überh - Spritz - Leeria - Laufn - Glühz - Laded - Abgas rung. Erfahrung bei Reiheneinspritzpumpen is Serie ist, wurde für die Verteilereiw spritzpumpe angepaßt. Ein induktiven Kurzschlußringsensor erfüllt als Geba für die Position des Regelschiebers alle Anforderungen. Eine hohe Störsichen heit wird durch den Betrieb des RücN meiders mit einer Trägerfrequenz erzielt Die Fw samtko nen Vt den [1] naue 1 Übereil gensoll messen Für die Einsetzbarkeit eines solchen Ge bersystems in Produkten, die mit hohe Stückzahl gefertigt werden, ist es jedocl nicht nur erforderlich, daß es alle techn« sehen Anforderungen erfüllt, sondern ß] muß auch wirtschaftlich darstellbar seiii Das Blechpaket des Winkelgebers kanfl heute in der vorteilhaften Stanzpaketiefl Technik gefertigt werden. Für die Auj wertung von Kurzschlußring-Geberi wurde eine integrierte Schaltung entwis] kelt. Unter den Gesichtspunkten QuaB tat und Wirtschaftlichkeit bestehen dj mit für die Produktion gute RandbedW gungen hinsichtlich der Belange ein^ Großserienfertigung. Um da Erreich Regelg Umset; Pfades - Menj - Stell Ford - Ford Stoff Die ze genau v or. di beiien Wäre d mit ei] erfaßb ten v MT? MTZ Motortechnische Zeitschrift 53 (1992) Elektronisch geregelte Dieseleinspritzpumpe 2 Funktion des Winkelsensors im Gesamtsystem pie heute im breiten Serieneinsatz befindlichen elektronisch geregelten nieseleinspritzanlagen für Pkw erfüllen „eben den Kernfunktionen, die zum Motormanagement gezählt werden, auch eine Reihe von weiteren Funktionen, die Fahrzeugmanagement gerechnet zum werden können. 2um Motormanagement Funktionen: gehören die - Mengenregelung - Startmenge in Abhängigkeit der Motortemperatur - Anpassung der Vollastcharakteristik an die augenblicklichen Betriebsbedingungen (Temperaturen, Luftdruck, Drehzahl...) - Überhitzungsschutz des Motors - Spritzbeginnregelung - Leerlaufregelung - Laufruheregelung - Glühzeitsteuerung - Ladedruckregelung - Abgasrückführregelung oder -Steuerung. Das Fahrzeugmanagement umfaßt folgende Funktionen: - Aktive Dämpfung von Fahrzeuglängsschwingungen (Ruckeldämpfer) - Fahrgeschwindigkeitsregelung - Ansteuerung des Automatgetriebes - Abschaltung des Kompressors der Klimaanlage bei bestimmten Betriebszuständen - Diebstahlwarnanlage - Verarbeitung von Mengeneingriffen von anderen Systemen wie Getriebesteuerung oder zukünftig ASR (Antriebsschlupfregelung) - Eigendiagnose des Systems. Die Funktionen und Vorteile dieses Gesamtkonzepts sind bereits in verschiedenen Veröffentlichungen dargelegt worden [1] bis [4]. Wichtig ist hierbei eine genaue Einspritzmengenzumessung, also Übereinstimmung des berechneten Mengensollwertes mit der tatsächlich zugemessenen Einspritzmenge. Um dabei eine geringe Abweichung zu erreichen, ist der Einsatz verschiedener Regelgrößen denkbar, die sich aus den Umsetzungsstufen des gesamten Zumeßpfades ergeben: - Mengensollwert in Stellerstrom - Stellerstrom in Regelschieberweg und Förderdauer ¡ Förderdauer in Spritzdauer und Kraftstoffmasse. Die zentrale Frage lautet: Wo liegt eine genau und schnell erfaßbare Meßgröße v or, die sich als Regelgröße weiterverarbeiten läßt? Eine denkbare Regelgröße Wäre die gemessene Kraftstoffmasse, die <nit einem geeigneten Massenrückmelder e rfaßbar sein müßte. Die heute bekannten wirtschaftlichen Einspritzmassen- MTZ Motortechnische Zeitschrift 53 (1992) 5 Drehzahl Krailslaff Sollwert Berechnung lemperalur Pumpe Steuergerät Schieberweg Solivien Schieber weggeber Mengen steller Schieber- , weg- Schieber«eg Stellregler - » - Endstufe auswertung _w Stelle rslrom Einspitzmenge Bild 1: Struktur der Schieberwegauswertung und -Verarbeitung im System Fig. 1: Block diagram showing handling of position sensor signal and process in the system rückmelder sind mit solch großen Fehlern behaftet, daß deren Einsatz nicht zielführend ist. Indirekte Mengenrückmelder, wie z. B. spezielle Lambdasonden, mit denen das Luft-Kraftstoff-Verhältnis gemessen werden kann und die im Magerbereich arbeiten (Grenzstromsonden), erfüllen nicht die Dynamikanforderungen. Mengenvorsteuerungen auf der Basis von unterlagerten Regelgrößen wie z. B. des Schieberweges bei der Verteilerpumpe sind notwendig. Auch die Spritz- oder Förderdauer könnte als Regelgröße in Betracht gezogen werden. Jedoch sind hierbei die Erfassungstoleranzen zu groß. Es verbleibt somit die Regelschieberposition. Sie ist bei der Verteilereinspritzpumpe von Bosch ein Maß für das Förderende und stellt bei konstantem Förderbeginn ein Maß für die Einspritzmasse dar. Die Regelschieberposition ist schnell und sicher zu erfassen. Exemplarstreuungen der nachfolgenden Strecke, die in der Hochdruckhydraulik begründet sind, können - falls dies notwendig sein sollte - durch Exemplarabgleich in der Ansteuerelektronik kompensiert werden. Bild 1 zeigt die strukturelle Verknüpfung von - Schieberweggeber nach dem HDKPrinzip (Halbdifferential-Kurzschlußring), das in den folgenden Abschnitten noch näher erläutert wird. - Auswerteschaltung - Sollwertberechnung: Hier werden die Funktionsalgorithmen bearbeitet, und es wird der Sollwert für.die Einspritzmenge berechnet. Ausgehend vom Mengensollwert wird der Schieberwegsollwert berechnet. Bei dieser Umrechnung werden alle Nichtlinearitäten der Pumpe berücksichtigt. Die vorgeschalteten Drehzahlregler (Leerlaufdrehzahlregelung und Laufruheregelung) können auf die dadurch linearisierte Strecke optimal angepaßt werden. Da die Zumessung über die Regelschieberlage volumetrisch geschieht, wird der Kraftstofftemperatureinfluß auf die Einspritzmasse über ein entsprechendes Korrekturfeld kompensiert. - Stellregler, der als einzige, jedoch komplexe Aufgabe die Lagerregelung des Regelschiebers der Einspritzpumpe auf die vom Block „Sollwert- Further Development of the Electronically Governed Distributor Type Injection Pump by Hans-Peter Bauer, Joachim Berger, Werner Fischer and Peter Wannenwetsch The electronically governed distributor diesel injection pump of Robert Bosch GmbH, whose proven system has been for some years hi prudnction. is to be further developed. A key component of the electronic governing is a rotary actuator whose actual position is fed back by a half differential eddy current sensor It is contactless and is therefore principally wear free and thus insensitive to changes and contamination of fuel e. g. by water. 241 Elektronisch geregelte Dieseleinspritzpumpe Drehzahl Spritzbeginn Temperatur Ladedruck Fahrpedal Stellung Rücklauf Einspritzdüse Zulauf berechnung" vorgegebene Sollposition hat. - Endstufe - Mengensteller, d. h. elektromagnetischer Drehsteller und Pumpenhydraulik. Symbolisch ist die Verarbeitung der sonstigen im System vorhandenen Sensoren wie z. B. Drehzahl-, Pedalwert-, Temperatur-, Spritzbeginnsensor durch Pfeile dargestellt. Bild 3: Schnitt durch das Stellwerk: Fig. 3: Cross-section through actuator: ^ 2 5 Bild 2: Mengenregelung und Spritzbeginn-Verstellung 1 Förderpumpe 2 Magnetventil 3 Spritzversteller • 4 Regelschieber 5 Drehmagnetstellwerk mit Rückmelder 6 Steuergerät Fig. 2: Fuel quantity governing arid timing control 1 Transfer pump 2 Solenoid valve 3 Timing mechanism 4 Control sleeve 5 Rotary actuator with position feedback 6 E.C.U. 3 Aufbau und Funktion von Einspritzpumpe und Stellwerk In der Einspritzpumpe und im angebauten Mengenstellwerk werden die folgenden Funktionen realisiert: - Umsetzung Stellerstrom in Regelschieberweg durch das Stellwerk - Erfassung der Regelschieberposition durch den im Stellwerk integrierten HDK-Geber - Umsetzung Regelschieberweg in Einspritzmasse. Bei der letzteren Funktion übernimmt die elektronisch geregelte Verteilerpumpe das Prinzip der bewährten mechanischen Verteilereinspritzpumpe VE. Es ist ein Pumpenkolben vorhanden, der alle Motorzylinder bedient. Der Kolben fördert den Kraftstoff mit einer Hubbewegung und verteilt ihn mit einer Drehbewegung auf die einzelnen Auslässe. Pro Umdrehung der Antriebswelle macht er deshalb so viele Hübe, wie Zylinder zu versorgen sind. Solange innerhalb eines Arbeitshubes die Absteuerbohrung im Kolben verschlossen ist, fördert die Pumpe, Bild 2. Die Förderung ist zu Ende, wenn die Absteuerbohrung aus dem Regelschieber austritt. Die Regelschieberposition bestimmt daher die Einspritzmenge. Bild 4: Gebergrundplatte im Stellwerk 1 Sensorspulen 2 Referenz-Kurzschlußring 3 Meß-Kurzschlußring 4 Blechpaket 5 Temperaturfühler Fig. 4: Position sensor mounting above actuator 1 Sensor coils 4 Laminated core 2 Reference ring 5 Temperature 3 Measurement' sensor ring 242 In Bild 2 ist auch der in die Einspritzpumpe integrierte Spritzversteller schematisch dargestellt. Es ist eine elektronisch geregelte Spritzbeginn-Verstellung, bei der Spritzbeginn-Abweichungen durch die Ansteuerung eines getakteten Magnetventils ausgeregelt werden. Das Magnetventil ist an den Arbeitsraum des Spritzverstellerkolbens angeschlossen und beeinflußt den Druck auf diesen Kolben. Die weiteren Funktionen der Pumpe werden im Stellwerk, Bild 3, realisiert, das vom Dieselkraftstoff durchflossen wird. Diese Randbedingung hat entscheidenden Einnuß auf die konstruktive Ausführung, da im Kraftstoff verschiedene Additive und Wasser enthalten sein können. Wenn der Kraftstoff z. B. durch Wasser verunreinigt ist, kann elektro-chemische Korrosion auftreten. Daher werden elektrische Spannung führende Teile, wie der Temperaturfühler und die verschiedenen Anschlußdrähte und Leitbleche, beschichtet, mit Kunststoff umspritzt oder durch Abdeckkap. pen geschützt. Die Verbindung zwischen Steuergerät und Stellwerk erfolgt mit einer 7poligen Steckverbindung, mit der der Steller, der HDK-Geber und der Kraftstoff-Temperaturfühler kontaktiert werden. Die beiden letzteren Komponenten sind auf der Gebergrundplatte angeordnet, Bild 4. Auf der Grundplatte werden auch die beiden Anschlußdrähte der Stellerspule mit Schrauben festgeklemmt und kontaktiert. Der Drehmagnet-Steller setzt den vom Steuergerät vorgegebenen Strom in eine Drehbewegung der Stellwelle um. Ein in der Stellwelle exzentrisch eingepreßter Kugelbolzen dient zur Umwandlung der Drehbewegung in eine Linearbewegung des Pumpen-Regelschiebers. Als Basis für den HDK-Geber ist auf der Stellwelle ein Meß-Kurzschlußring mit Konus und Schraube befestigt. 4 Winkelgeber 4.1 Funktionsprinzip des Winkelgebers Bei dem Rückmeldesystem handelt es sich um einen induktiven Geber, der nach dem Kurzschlußringgeber-Prinzip arbeitet [5]. Ein solcher Sensor besteht im wesentlichen aus einem Blechpaket, einer Spule und dem beweglichen Kurzschlußring, Bild 5. Eine an der Spule anliegende Spannung erzeugt ein magnetisches Wechselfeld, welches in dem elektrisch leitenden Kurzschlußring einen Strom induziert. Dieser baut wiederum gemäß der Lenzschen Regel ein der Änderung entgegengerichtetes Magnetfeld auf. Dadurch kommt es zu einer Begrenzung des Feldes auf den Bereich zwischen Spule und Kurzschlußring. Durch eine entsprechende geometrische Gestaltung der Blechkontur und damit des Magnetkreises wird eine nahezu lineare Abhängigkeit der Induktivität oder Impedanz von der Winkelposition des Kurzschlußrings erreicht, Bild 6. MTZ Motortechnische Zeitschrift 53 (1992) 5 Elektronisch geregelte Dieseleinspritzpumpe beweglicher Meßkurzschlußring Kurzschlußring - Magnetisches Wechselfeld Weg 1-1(0,) 36 mm geblechter Eisenkern Ringstrom • L2(a 2 ) feststehender Referenz kurzschlußring Bild 5: Prinzip des Kurzschlußring-Gebers Bild 6: Ausführung des HDK-Winkel. gebers Fig. 5: Principle of the shading ring sensor Fig. 6: Realization 4.2 Aufbau und Arbeitsweise Der komplette Geber ist als Halbdifferentialanordnung realisiert, eines der beiden Systeme arbeitet als veränderbares Meßsystem, das zweite System ist in einer festen Winkelposition fixiert und dient als Referenz. Die genaue Sensorgröße für die Auswertung ist somit nicht ein Absolutwert, sondern das Verhältnis der beiden Impedanzen, Bild 7. Durch eine geometrisch voll symmetrische Ausführung der beiden Teilsysteme werden Materialeigenschaften und Temperatureffekte weitgehend kompensiert. Für den Temperaturgang sind in erster Linie die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes von Kurzschlußring und Spule sowie der Permeabilität des Kernblechmaterials verantwortlich. Die beiden Anteile wirken unterschiedlich stark abhängig von der Stellung des Kurzschlußringes. Deshalb stellt sich die Halbdifferentialausführung mit einer festen Referenzseite als eine z W 20 1,5 | 1 günstige Sensor-Anordnung dar. Ein Volldifferentialsystem würde nur eine geringe Verbesserung der Gebereigenschaften ergeben, wäre fertigungstechnisch jedoch bedeutend aufwendiger. 4.3 Auswertung des Winkelsensors An die Schaltung zur Auswertung des Impedanzverhältnisses werden folgende Anforderungen gestellt: - Auswertung mit Sinusschwingung konstanter Frequenz und mit geringem Oberwellenanteil - Stabilität der Schaltung bei kapazitiver Belastung der Geberanschlüsse gegen Massepotential - Umsetzung in einen Spannungswert, ratiometrisch zur Referenzspannung' (5 V) - Umsetzung in ein Datenwort mit einer' Auflösung von zwölf Bit - Programmierbare Störausblendung - Fehlererkennung. Zu den störenden Eigenschaften der mit Wechselfeld arbeitenden Sensoren zählt die induktive Einstreuung durch Fremdfelder und der Umstand, daß das Eigenstreufeld in allen elektrisch leitenden Winkelgeber / -3 A0 A1 ' / Sinusgenerator geregelt •D S f °-0,57() 5 Der Winkelgeber ist für einen Bereich von 60" ausgelegt. Real sind der Linearisierung, insbesondere für Winkel nahe der Spule oder am Ende der Magnetschenkel, Grenzen gesetzt. Da aber die geforderte Genauigkeit und Reproduzierbarkeit erfüllt werden, spielt dies nur eine untergeordnete Rolle. Wegen des bereits erläuterten Funktionsprinzips hat der Geber nur einen geringen Temperaturgang, der im Gesamtsytem teilweise noch weiter kompensiert werden kann. - 0,9 Materialien Wirbelströme induziert Durch einen geeigneten konstruktiven Aufbau werden diese Einflüsse eliminiert. Eigenschaften 1 1.1 § of the angle sensor 20 ~~ A2 1 AmplitudenAuswertung + Regler ii Sinusgenerator gesteuert 1 AmplitudenAuswertung + A/D-Wandler 1,0° 20° 30° 40° 50° 60° DW Uta Winkelposition Kurzschlußring Bild 7: Impedanzverhältnis Z/Z0 Bild 8: Blockschaltbild der Auswerteschaltung CC 212 Fig. 7: Ratio of impedances ZIZ0 Fig. 8: Block diagram of evaluation circuit CC212 244 MTZ Motortechnische Zeitschrift 53 (1992) I 11] Schw BMW 12] Käsn 1989 13] Anisi mobi [*1 Eisel, 800K 15] Zabl< and (1982 Í6] Sturr Cont: A-nschri Dr. rer. üitzing Üipl-In ö »PUfi Ùr -Ing. Stuttga elektronisch geregelte Dieseleinspritzpumpe gj e Anforderungen werden von einer Schaltung CC 212, Bild 8, erfüllt, die in einem CMOS-Prozeß integriert wurde. Dabei wurden „analoge" Funktionen mit sc-Technik (sc = switched capacitor) realisiert. ¡¡^nktionsbeschreibung: Am Anschluß AO wird eine Sinusschwingung konstanter Frequenz und Amplitude erzeugt, wobei die Amplitudenkonstanz durch unterlagerte Regelung auf einen Sollwert erreicht wird. Am Anschluß A2 wird eine Sinusschwingung gleicher Frequenz wie an AO erzeugt, deren Phase ¡edoch um 180° versetzt ist und deren Amplitude steuerbar ist. píese Amplitudensteuerung erfolgt abhängig vom Amplitudenw ert an Al so, daß dieser zu Null geregelt wird; hierbei erfolgt die Auswertung an Al phasensynchron zum Sinus an AO. Im ausgeregelten Fall gilt: Wir erfüllen hochgeschraubte Forderungen. • Die analoge Ausgangsspannung Uist und das digitale Datenwort DW sind proportional zum Amplitudenverhältnis und somit zum Impedanzverhältnis des Gebers. Zur Unterdrückung definiert auftretender Störungen, etwa durch Schaltimpulse beim Takten des Drehmagnetstellers, kann zum Zeitpunkt der Schaltflanke die Übernahme neuer Werte gesperrt werden. Damit bleibt der alte Wert unverändert, und Störimpulse führen nicht zu einer fehlerhaften Reglerfiinktion mit Verfälschung von Uis, oder dem DW. Zum Beispiel von der Automobilindustrie. Das Erkennen des Problems, die Fähig- Durch Überwachung der Signalbereiche an Al, Uisl sowie dem DW werden alle Arten von Unterbrechungen oder Kurzschlüssen der Geberleitungen erkannt. In diesen Fällen werden die Signalausgänge Uist und DW definiert auf einen Wert außerhalb des nominalen Signalbereichs gelegt und somit wird eine sichere Erkennung dieses Zustandes ermöglicht. keit, mit speziellem Know-how für jeden Anwendungsfall die verbindungstechnisch beste und 6 Überwachung der Schieberwegauswertung Oberstes Entwicklungsziel sind äußerst zuverlässige Systemkomponenten. Dennoch sind Eventualmaßnahmen auch für unwahrscheinliche Ausfälle in einem Überwachungskonzept vorzusehen. Beim beschriebenen System sind alle denkbaren Einzelfehler von Sensor, Auswerteschaltung, Stelleransteuerung und Mengensteiler abgedeckt. Dies wird durch folgende Maßnahmen erreicht, die im wesentlichen schon an anderer Stelle beschrieben wurden [6]: - Sensorüberwachung durch Kurzschlußerkennung in der Auswerteschaltung - redundante Verarbeitungspfade für die Schieberposition innerhalb des Steuergeräts zur Überwachung der Auswerteschaltung - Übergang von Schieberpositionsregelung auf -Steuerung im Schiebebetrieb - Überwachung des Regelkreises auf Regelabweichung. Literaturhinweise !l] Schwarzbauer, G. und H. Weiß: Digitale Diesel-Elektronik beim BMW-Turbodieselmodell 324 td. MTZ 49 (1988) ß] Käsmeier, K.: Elektronische Dieselregelung. VDI-Berichte Nr. 714, 1989 B] Anisits, F.: Partikelemissionen beim Personenwagen-Diesel. Automobil Rev. 83 (1988) tt) Eisele, H.: Electronic Control of Diesel Passenger Cars. SAE-Paper 800167, 1980 15] Zabler, E. und F. Heintz: Shading-Ring Sensors as versatile position and angle sensors in motor vehicles. Sensors and Actuators, 3 (1982/83), 315-326 16] Stumpp, G. und H. Kull: Strategy for a Fail Safe Electronic Diesel Control System for Passenger Cars. SAE-Paper 830527, 1983 Anschriften der Verfasser: °r. rer. nat. Hans-Peter Bauer, Gebersheimer Weg 28, D-7257 Ditzingen "ipl.ríng. Joachim Berger, Falkenstraße 11, D-7065 Winter bach Dipl.-Ing. Werner Fischer, Dickenbergstraße 911, D-7258 Heimsheim ^•-Ing. Peter Wannenwetsch, Untere Heckenstraße 52B, D-7000 S tuttgart 61 kostengünstigste Lösung zu entwickeln und in gleichbleibend hoher Qualität zu fertigen - das ist KAMAX. Mit der Leistungsstärke von 4 Werken B und derGeschwin- 3L digkeit intelligenter «p Datenfernübertragung 2 sind wir eng mit der Z KAMAX-WERKE Rudolf-Kellermann GmbH & Co. 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