DE102018120973A1 - Method for controlling and regulating a direct injection system of a diesel engine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung und Regelung eines Direkteinspritzsystems (2) eines Dieselmotors. Vor jedem Einspritzvorgang werden auf Grundlage eines vorgegebenen Gaszustandsmodells (5) Modellwerte für Gaszustandsgrößen eines Verbrennungsgases bestimmt, wobei das Verbrennungsgas bei dem folgenden Einspritzvorgang in einem Zylinder des Dieselmotors bereitsteht. Sollgrößen des Direkteinspritzsystems (2) werden für den folgenden Einspritzvorgang auf Grundlage der Modellwerte bestimmt. Die Sollgrößen werden durch Ansteuerung von Einspritzaktoren des Direkteinspritzsystems gesteuert eingestellt oder eingeregelt. Zur Ermittlung der Sollgrößen wird ein vorgegebenes Sollgrößenermittlungsverfahren (7) verwendet. Das Sollgrößenermittlungsverfahren (7) wurd durch ein Optimierungsverfahren parametrisiert.The invention relates to a method for controlling and regulating a direct injection system (2) of a diesel engine. Before each injection process, model values for gas state variables of a combustion gas are determined on the basis of a predetermined gas state model (5), the combustion gas being available in a cylinder of the diesel engine in the subsequent injection process. Target quantities of the direct injection system (2) are determined for the following injection process on the basis of the model values. The setpoints are set or controlled by controlling injection actuators of the direct injection system. A predetermined setpoint determination method (7) is used to determine the setpoints. The target size determination process (7) was parameterized by an optimization process.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung und Regelung eines Direkteinspritzsystems eines Dieselmotors.The invention relates to a method for controlling and regulating a direct injection system of a diesel engine.
Die Steuerung und Regelung von Dieselmotoren basiert auf dem von dem Fahrer durch das Gaspedal oder auch über einen Tempomaten vorgegebenen und von dem Dieselmotor getriebeseitig zur Verfügung zu stellenden Solldrehmoment. Auf Grundlage des erfassten Solldrehmoments wird üblicherweise unter Verwendung entsprechender Kennfelder eine Solleinspritzmenge bzw. ein Solleinspritzvolumen berechnet, das über ein Direkteinspritzsystem wie beispielsweise einem Common-Rail-Einspritzsystem des Dieselmotors in die Zylinder eingespritzt werden soll, um das dem Fahrerwunsch entsprechende Solldrehmoment bereitstellen zu können. Ausgehend von dem so ermittelten Solleinspritzvolumen sowie der messtechnisch erfassten Motordrehzahl werden ebenfalls unter Verwendung geeigneter Sollwertkennfelder Sollwerte des Ladedrucks sowie der benötigten Frischluftmasse berechnet. Darüber hinaus wird über geeignete Kennfelder ausgehend von dem Solleinspritzvolumen und der Motordrehzahl ein Sollwert für den Einspritzbeginn, ein Sollwert für den Common-Rail-Druck sowie gegebenenfalls ein Sollwert für die Stellung einer Luftbewegungsklappe in dem jeweiligen Einlasskanal der Zylinder bestimmt. Ebenso erfolgt eine Verteilung der Gesamtsolleinspritzmenge bzw. des Gesamtsolleinspritzvolumens auf mehrere Voreinspritzvorgänge sowie auf einen Haupteinspritzvorgang.The control and regulation of diesel engines is based on the target torque specified by the driver using the accelerator pedal or also via a cruise control and to be made available by the diesel engine on the transmission side. On the basis of the detected target torque, a target injection quantity or a target injection volume is usually calculated using corresponding characteristic maps, which is to be injected into the cylinders via a direct injection system such as, for example, a common rail injection system of the diesel engine, in order to be able to provide the target torque corresponding to the driver's request. On the basis of the target injection volume determined in this way and the engine speed measured by measurement, target values of the boost pressure and the required fresh air mass are also calculated using suitable target value maps. In addition, a setpoint value for the start of injection, a setpoint value for the common rail pressure and, if appropriate, a setpoint value for the position of an air movement flap in the respective intake port of the cylinders is determined using suitable characteristic maps based on the target injection volume and the engine speed. Likewise, the total target injection quantity or the total target injection volume is distributed over a number of pre-injection processes and over one main injection process.
Die Sollwertkennfelder und insbesondere auch die Kennfelder zur Bestimmung des Einspritzzeitpunkts, des Common-Rail-Druck, der Aufteilung der Einspritzmenge auf Vor-, Haupt- und Nacheinspritzungen sowie der Stellung der Ladungsbewegungsklappe werden üblicherweise an Motorenprüfständen und bei Testfahrten durch erfahrene Fachleute appliziert, wobei zunächst versucht wird hinsichtlich des Verbrauchs, der Emissionen und dem Drehmoment möglichst gute Einstellungen für den stationären Betrieb zu finden. Auf Grund der vielen Freiheitsgrade und der äußerst schwierig zu erfassenden physikalischen Zusammenhänge der Verbrennung im dynamischen Betrieb des Dieselmotors, erfolgt eine entsprechende Anpassung der Einspritzparameter für den dynamischen Betrieb bislang nicht oder wird nur in Ansätzen berücksichtigt.The setpoint maps and in particular also the maps for determining the injection timing, the common rail pressure, the distribution of the injection quantity between pre-injections, main injections and post-injections and the position of the charge movement flap are usually applied to engine test benches and during test drives by experienced specialists, initially Attempts are made to find the best possible settings for stationary operation with regard to consumption, emissions and torque. Due to the many degrees of freedom and the extremely difficult physical relationships of the combustion in dynamic operation of the diesel engine, the injection parameters for dynamic operation have not been adapted accordingly or are only taken into account to a certain extent.
Als Aufgabe der Erfindung wird es daher angesehen, die aus dem Stand der Technik bekannte Steuerungsstruktur zur Steuerung der Verbrennungsparameter eines Dieselmotors derart weiterzuentwickeln, dass insbesondere die Verbrennung im dynamischen bzw. transienten Betrieb des Dieselmotors hinsichtlich des Verbrauchs, der Abgasemissionen und des bereitgestellten Drehmoments verbessert werden und der transiente Betrieb in der Steuerungsstruktur einfach berücksichtigt werden kann.It is therefore considered an object of the invention to further develop the control structure known from the prior art for controlling the combustion parameters of a diesel engine in such a way that, in particular, the combustion in dynamic or transient operation of the diesel engine is improved with regard to consumption, exhaust gas emissions and the torque provided and the transient operation can easily be taken into account in the control structure.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, vor jedem Einspritzvorgang auf Grundlage eines vorgegebenen Gaszustandsmodells Modellwerte für Gaszustandsgrößen eines Verbrennungsgases bestimmt werden, wobei das Verbrennungsgas bei dem folgenden Einspritzvorgang in einem Zylinder des Dieselmotors bereitsteht, wobei Sollgrößen des Direkteinspritzsystems für den folgenden Einspritzvorgang auf Grundlage der Modellwerte bestimmt werden und wobei die Sollgrößen durch Ansteuerung von Einspritzaktoren des Direkteinspritzsystems gesteuert eingestellt oder eingeregelt werden. Der Einspritzvorgang umfasst gegebenenfalls ein oder mehrere Voreinspritzungen, eine Haupteinspritzung und ein oder mehrere Nacheinspritzungen.According to the invention, this object is achieved in that model values for gas state variables of a combustion gas are determined before each injection process on the basis of a predetermined gas state model, the combustion gas being available in a cylinder of the diesel engine in the following injection process, target quantities of the direct injection system for the following injection process being determined on the basis of the model values and the setpoints are set or adjusted by controlling injection actuators of the direct injection system. The injection process may include one or more pre-injections, a main injection and one or more post-injections.
Es ist aus eigenen Untersuchungen bekannt, dass im dynamischen Betrieb der Gaszustand der Verbrennungsluft in den Zylindern des Dieselmotors einen wesentlichen Einfluss auf die Entstehung von Emissionen im transienten Betrieb des Dieselmotors hat. Durch die Berücksichtigung des Gaszustands der Verbrennungsluft in der Steuerungsstruktur des Einspritzsystems kann daher besonders einfach der transiente Betrieb des Dieselmotors in der Steuerungsstruktur berücksichtigt werden.It is known from our own investigations that in dynamic operation the gas state of the combustion air in the cylinders of the diesel engine has a significant influence on the generation of emissions in the transient operation of the diesel engine. By considering the gas state of the combustion air in the control structure of the injection system, the transient operation of the diesel engine can therefore be taken into account in the control structure in a particularly simple manner.
Erfindungsgemäß ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass es sich bei den Modellwerten für die Gaszustandsgrößen um einen Modellwert für einen relativen Sauerstoffanteil des Verbrennungsgases
Der Sauerstoffanteil des Verbrennungsgases
Neben der Frischluftmasse
Erfindungsgemäß ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass es sich bei den Sollgrößen um einen Solleinspritzwinkel
Bei einer vorteilhaften Umsetzung der erfindungsgemäßen Steuerstruktur ist vorgesehen, dass bei der Bestimmung der Sollgrößen eine aktuelle Motordrehzahl
Zur Ermittlung der Sollgrößen wird vorteilhafterweise ein vorgegebenes Sollgrößenermittlungsverfahren verwendet. Das Sollgrößenermittlungsverfahren weist erfindungsgemäß ein Steuermodell auf, dass ausgehend von den Gaszustandsgrößen und vorteilhafterweise der aktuellen Motordrehzahl
Vorteilhafterweise ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zur Ermittlung der Sollgrößen mindestens ein Steuerkennfeld verwendet wird. Die Sollgrößen werden mit dem Steuermodell unter Verwendung des mindestens einen Steuerkennfeld vorteilhafterweise durch Interpolation von den Sollgrößen entsprechenden Ausgangsgrößen des Steuerkennfelds zwischen Stützstellen von den Gaszustandsgrößen und vorteilhafterweise der Motordrehzahl
Erfindungsgemäß ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass das Sollgrößenermittlungsverfahren durch ein Optimierungsverfahren parametrisiert wurde. Vorteilhafterweise werden optimale Einspritzparameter für vorgegebene Gaszustandsgrößen vorab durch Vermessung des jeweiligen Dieselmotortyps ermittelt. Vorteilhafterweise werden diese optimalen Einspritzparameter auf Grundlage einer Zielfunktion des Optimierungsverfahrens, mit der insbesondere die bei der Verbrennung jeweils entstehenden Emissionen, der Verbrauch und das erzeugte Drehmoment bewertet werden bestimmt. Um die Optimierungszeit zu verkürzen, weist das Optimierungsverfahren vorteilhafterweise einen Online-Optimierungsalgorithmus auf, durch den die Optimierung auf Basis der Zielfunktion bereits bei der Vermessung des Dieselmotortyps erfolgt.According to the invention, it is advantageously provided that the target size determination method has been parameterized by an optimization method. Advantageously, optimal injection parameters for predetermined gas state variables are determined in advance by measuring the respective diesel engine type. These optimal injection parameters are advantageously determined on the basis of a target function of the optimization method, with which in particular the emissions that arise during combustion, the consumption and the torque generated are evaluated. In order to shorten the optimization time, the optimization method advantageously has an online optimization algorithm, by means of which the optimization is carried out on the basis of the target function already when the diesel engine type is measured.
Zur Bestimmung der Gaszustandsgrößen ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Modellwerte für die Gaszustandsgrößen unter Verwendung von mit Zylinderdrucksensoren des Dieselmotors ermittelten Zylinderdruckmesswerten mit dem Gaszustandsmodell bestimmt werden. Zur Bestimmung der Gaszustandsgrößen wird vorteilhafterweise die ideale Gasgleichung für das Verbrennungsgas
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.Further advantageous embodiments of the method according to the invention are explained in more detail using an exemplary embodiment.
Es zeigt:
-
1 ein schematisch dargestelltes Ablaufdiagramm einer Steuer- und Regelstruktur für einen Dieselmotor, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt wird.
-
1 a schematically illustrated flow chart of a control and regulation structure for a diesel engine, in which the inventive method is used.
In
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Steuerung und Regelung des Direkteinspritzsystems
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