DE102008054630A1 - Vehicle e.g. commercial vehicle, internal-combustion engine operating method, involves forming multiple condition variables of state space by multi-variable controller, and determining adjusting variable based on conditional variables - Google Patents

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Abstract

The method involves regulating pressure (prail) of a fuel (21) present in a fuel high pressure storage (19) of a common rail injection system (15) of an internal-combustion engine (11), when the fuel pressure is detected. An adjusting variable for adjusting an actuator is determined based on the fuel pressure. Multiple condition variables of a state space are formed by a multi-variable controller, and the adjusting variable is determined based on the conditional variables, where one of the condition variables corresponds to the fuel pressure. An independent claim is also included for a controlling unit for an internal-combustion engine.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei dem ein Kraftstoffdruck von in einem Kraftstoffhochdruckspeicher eines Common-Rail-Einspritzsystems der Brennkraftmaschine befindlichem Kraftstoff geregelt wird, indem mindestens eine Regelgröße erfasst wird und in Abhängigkeit von der Regelgröße mindestens eine Stellgröße zum Einstellen mindestens eines Aktors ermittelt wird. Außerdem betrifft die Erfindung eine Regeleinrichtung für eine Brennkraftmaschine, zum Regeln eines Kraftstoffdrucks nach dem genannten Verfahren. Unter einem Common-Rail-Einspritzsystem ist ein Speichereinspritzsystem zu verstehen, das einen üblicherweise für alle Brennräume der Brennkraftmaschine gemeinsamen Kraftstoffhochdruckspeicher (Rail) aufweist.The The invention relates to a method for operating an internal combustion engine, in which a fuel pressure of in a high-pressure fuel storage a common rail injection system of the internal combustion engine befindlichem Fuel is regulated by at least one controlled variable is detected and depending on the controlled variable at least one manipulated variable for setting at least an actuator is determined. Moreover, the invention relates a control device for an internal combustion engine, for Regulating a fuel pressure according to the said method. Under A common rail injection system is a storage injection system to understand the one usually for all Combustion chambers of the internal combustion engine common high-pressure fuel storage (Rail).

Aus der DE 10 2004 016 943 A1 ist ein Verfahren zum Steuern einer Kraftstoffzuführeinrichtung einer Brennkraftmaschine bekannt. Gemäß diesem Verfahren wird in einer ersten Betriebsart mittels eines ersten Reglers ein Stellsignal für ein Volumenstromsteuerventil der Kraftstoffzuführeinrichtung und in einer zweiten Betriebsart mittels eines zweiten Reglers ein Stellsignal für einen elektromechanischen Druckregulator erzeugt. In diesem Verfahren ist vorgesehen, dass in Abhängigkeit von einem erfassten Kraftstoffdruck zwischen den beiden Betriebsarten hin- und hergeschaltet wird.From the DE 10 2004 016 943 A1 For example, a method for controlling a fuel supply device of an internal combustion engine is known. According to this method, a control signal for a volume flow control valve of the fuel supply device is generated in a first operating mode by means of a first controller and a control signal for an electromechanical pressure regulator in a second operating mode by means of a second controller. In this method, it is provided that is switched back and forth in dependence on a detected fuel pressure between the two modes.

Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass die beiden Regler getrennt voneinander entworfen beziehungsweise synthetisiert werden müssen, wobei oftmals zahlreiche Kennfelder verwendet werden müssen. Einzelne Parameter der Regler beziehungsweise der Kennfelder müssen für jeden Typ der Brennkraftmaschine beziehungsweise für jeden Typ eines Fahrzeugs, in dem die Brennkraftmaschine eingebaut ist, neu ermittelt werden. Folglich ist ein Applikationsaufwand zum Anpassen des bekannten Verfahrens an einen bestimmten Typ der Brennkraftmaschine beziehungsweise des Kraftfahrzeugs sehr hoch. Ist das Verfahren einmal an einen bestimmten Typ der Brennkraftmaschine beziehungsweise des Kraftfahrzeugs angepasst worden, so kann es ohne erneute Anpassung praktisch nicht in Verbindung mit einem anderen Typ der Brennkraftmaschine beziehungsweise des Kraftfahrzeugs angewendet werden.adversely At this procedure is that the two regulators separated from each other have to be designed or synthesized, often numerous maps must be used. Separate Parameters of the controller or the maps must for each type of internal combustion engine or for every type of vehicle in which the internal combustion engine is installed is to be redetermined. Consequently, an application effort for adapting the known method to a specific type of Internal combustion engine or the motor vehicle very high. Once the procedure is for a particular type of internal combustion engine or the motor vehicle has been adjusted, it may without re-fitting practically not in conjunction with another Type of internal combustion engine or of the motor vehicle applied become.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine anzugeben, bei dem ein Aufwand zur Anpassung des Verfahrens an einen bestimmten Typ der Brennkraftmaschine, an einen bestimmten Typ eines Kraftfahrzeugs, in dem die Brennkraftmaschine eingebaut ist, oder an einen bestimmten Typ eines Einspritzsystems der Brennkraftmaschine möglichst gering ist. Das Verfahren soll also eine möglichst große Wiederverwendbarkeit in einer Vielzahl von Typen von Brennkraftmaschinen, Kraftfahrzeugen beziehungsweise Einspritzsystemen aufweisen, so dass ein Applikationsaufwand beim Einsatz des Verfahrens in Verbindung mit mehreren Typen von Brennkraftmaschinen, Kraftfahrzeugen beziehungsweise Einspritzsystemen gering ist.task The present invention is a method for operating a Specify internal combustion engine, in which an effort to adjust of the method to a particular type of internal combustion engine, at a particular type of motor vehicle in which the internal combustion engine built-in, or to a particular type of injection system the internal combustion engine is as low as possible. The procedure So should the greatest possible reusability in a variety of types of internal combustion engines, motor vehicles or have injection systems, so that an application effort when using the method in conjunction with several types of Internal combustion engines, motor vehicles or injection systems is low.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Regeleinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Bei der Brennkraftmaschine handelt es sich vorzugsweise um eine Fahrzeugbrennkraftmaschine, beispielsweise für ein Kraftfahrzeug oder ein Nutzfahrzeug.The The object is achieved by a method for operating an internal combustion engine with the features of claim 1 and by a control device for an internal combustion engine having the features of the claim 8 solved. The internal combustion engine is preferably to a vehicle internal combustion engine, for example for a motor vehicle or a commercial vehicle.

Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass eine besonders zuverlässige und in Verbindung mit verschiedenen Typen von Brennkraftmaschinen anwendbare Regelung des Kraftstoffdrucks bereitgestellt werden kann, wenn mehrere Zustandsgrößen gemeinsam zum Ermitteln der Stellgröße herangezogen werden. Auf diese Weise kann der Kraftstoffdruck im ganzen Betriebsbereich der Brennkraftmaschine geregelt werden, ohne dass hierzu ein Hin- und Herschalten zwischen verschiedenen Betriebsarten erforderlich wäre. Zudem reicht es aus, einen einzigen Regler in Form eines Zustandsreglers vorzusehen, wodurch der Aufwand für die Anpassung beziehungsweise Parametrisierung des Verfahrens erheblich reduziert wird.According to the invention was recognized that a particularly reliable and connected Regulation applicable to various types of internal combustion engines of the fuel pressure can be provided if several state variables used together to determine the manipulated variable become. In this way, the fuel pressure throughout the operating range the internal combustion engine are regulated, without this being a Hin- and switching between different modes required would. In addition, it is sufficient to form a single regulator to provide a state controller, whereby the effort for the adaptation or parameterization of the process considerably is reduced.

Als Zustandsgröße können beliebige Größen, die den Zustand des zu regelnden Systems, das heißt des Einspritzsystems, beschreiben, herangezogen werden. Es ist jedoch bevorzugt, dass mindestens eine Zustandsgröße einer Regelgröße entspricht. Die Regelgröße wird beim Ausführen des Verfahrens in ohnehin erfasst oder ermittelt und kann somit besonders einfach, ohne zusätzlichen Aufwand als Zustandsgröße vorgehalten werden. Bei der Regelgröße handelt es sich vorzugsweise um den Kraftstoffdruck, der mittels eines mit dem Kraftstoffhochdruckspeicher hydraulisch gekoppelten Drucksensors erfasst werden kann.When State variable can be any size, the state of the system to be regulated, that is the Injection system, describe, be used. However, it is preferred that at least one state variable corresponds to a controlled variable. The controlled variable is detected in any case when executing the method or determined and thus can be particularly simple, without additional Effort be kept as a state variable. The controlled variable is preferably to the fuel pressure, which by means of one with the high-pressure fuel storage hydraulically coupled pressure sensor can be detected.

Es ist bevorzugt, dass mindestens eine Zustandsgröße in Abhängigkeit von mindestens einer Sollgröße berechnet wird. Hierzu können Rechenmittel vorgesehen werden, denen die Sollgröße zugeführt wird und die die Zustandsgröße berechnen. Hierdurch können auch solche Größen als Zustandsgrößen herangezogen werden, die nicht oder nur mit einem hohen Aufwand unmittelbar, d. h. mittels Sensoren, erfasst werden können.It It is preferred that at least one state variable depending on at least one target size is calculated. For this purpose, computing means can be provided where the target size is supplied and the calculate the state quantity. This allows also such quantities as state variables be used, not or only with great effort directly, d. H. can be detected by means of sensors.

Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen werden, dass mindestens eine Zustandsgröße mittels eines Beobachterelements anhand der erfassten Regelgröße und/oder der Stellgröße geschätzt wird. Es ist denkbar, dass der Zustandsraum mittels Sensoren erfasste Zustandsgrößen, von den Rechenmitteln berechnete Zustandsgrößen und/oder mittels des Beobachterelements geschätzte Zustandsgrößen umfasst. Das Beobachterelement kann einen Kalman-Filter, ein Unscented-Kalmann-Filter und/oder einen Luenberger-Beobachter aufweisen.alternative or in addition, it may be provided that at least a state variable by means of a observer element based on the detected controlled variable and / or the manipulated variable is appreciated. It is conceivable that the state space means Sensors detected state variables, from the computing resources calculated state variables and / or by means of the Observer element estimated state variables includes. The observer element may be a Kalman filter, an unscented Kalman filter and / or have a Luenberger observer.

Es hat sich gezeigt, dass der Kraftstoffdruck, eine Durchflussrate von Kraftstoff durch eine Zumesseinheit einer Kraftstoffhochdruckpumpe des Einspritzsystems und/oder eine Rückflussrate des Kraftstoffs von dem Kraftstoffhochdruckspeicher durch ein zwischen dem Hochdruckspeicher und einem Niederdruckbereich des Einspritzsystems angeordnetes Druckregelventil des Einspritzsystems besonders dafür geeignet sind, als Zustandsgröße herangezogen zu werden.It has been shown that the fuel pressure, a flow rate of fuel through a metering unit of a high-pressure fuel pump of the injection system and / or a reflow rate of the fuel from the high-pressure fuel storage by a between the high-pressure accumulator and a low pressure region of the injection system arranged pressure control valve of the injection system are particularly suitable as a state variable to be consulted.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass als Stellgröße eine erste Stellgröße zum Einstellen eines Öffnungsgrads der Zumesseinheit und/oder eine zweite Stellgröße zum Einstellen eines Öffnungsgrads des Druckregelventils ermittelt wird. Die Zumesseinheit und/oder das Druckregelventil können mittels elektromagnetischer Aktoren innerhalb eines Stellbereichs kontinuierlich und/oder in mehreren Stufen einstellbar ausgebildet sein.In A preferred embodiment provides that as a manipulated variable a first manipulated variable for adjusting an opening degree of the metering unit and / or a second manipulated variable for setting an opening degree of the pressure regulating valve is determined. The metering unit and / or the pressure control valve can by means of electromagnetic Actuators within a control range continuously and / or in be designed adjustable several stages.

Um das Regelverhalten des Verfahrens zu verbessern, kann vorgesehen werden, dass mindestens eine Führungsgröße vorgegeben wird, in Abhängigkeit von der Führungsgröße mindestens eine Vorsteuergröße ermittelt wird und die Vorsteuergröße der Stellgröße zum Vorsteuern additiv oder subtraktiv überlagert wird. Hierdurch wird eine Vorsteuerung bereitgestellt, welche eine relativ schnelle Reaktion des Verfahrens auf eine Änderung der Führungsgröße ermöglicht.Around can improve the control behavior of the method can be provided be that at least one leader is given, depending on the reference variable at least one input tax quantity is determined and the pilot control variable of the manipulated variable is added to the input tax additive or subtractive. hereby a feedforward is provided, which is a relatively fast Reaction of the procedure to a change in the reference variable allows.

Um das Verfahren mittels linearer Regelalgorithmen realisieren zu können, ist bevorzugt, dass die Stellgröße mit Hilfe einer nicht linearen Kennlinie zur Kompensation eines nicht linearen Zusammenhangs zwischen der Stellgröße und einer von dem Aktor festgelegten physikalischen Größe korrigiert wird. Hierbei ist bevorzugt, dass insbesondere der nicht lineare Zusammenhang zwischen der ersten Stellgröße und einer Kraftstoffdurchflussrate durch die Zumesseinheit mittels einer entsprechenden nicht linearen Kennlinie korrigiert wird.Around be able to realize the method by means of linear control algorithms, is preferred that the manipulated variable by means of a non-linear characteristic to compensate for a non-linear relationship between the manipulated variable and one of the actuator corrected physical size is corrected. It is preferred that in particular the non-linear relationship between the first manipulated variable and a fuel flow rate through the metering unit by means of a corresponding non-linear Characteristic curve is corrected.

Als eine weitere Lösung der Aufgabe wird eine Regeleinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 vorgeschlagen. Dadurch, dass die erfindungsgemäße Regeleinrichtung ein als Mehrgrößenregler ausgebildetes Regelelement aufweist, wird eine Regeleinrichtung realisiert, die mit geringem Applikationsaufwand an einen bestimmten Typ der Brennkraftmaschine, eines Fahrzeugs, in dem die Brennkraftmaschine eingebaut ist beziehungsweise an einen bestimmten Typ eines Einspritzsystems angepasst werden. Zudem lässt sich eine einmal konkret realisierte Regeleinrichtung für eine relativ große Anzahl verschiedener Typen von Brennkraftmaschinen verwenden, ohne dass hierzu eine nochmalige Anpassung erforderlich wäre.When Another solution to the problem is a control device proposed with the features of claim 8. Because of that Control device according to the invention as a multi-variable controller has trained control element, is a control device realized that with little application effort to a specific Type of internal combustion engine, a vehicle in which the internal combustion engine is incorporated or to a particular type of injection system be adjusted. In addition, one can be concrete realized control device for a relatively large Use number of different types of internal combustion engines, without that this would require a further adjustment.

Hierbei ist besonders bevorzugt, dass das Regelelement zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist. Die Regeleinrichtung kann als ein Steuergerät für die Brennkraftmaschine mit einem programmierbaren Rechner ausgebildet sein. Dementsprechend kann das erfindungsgemäße Verfahren auf einer solchen Regeleinrichtung dadurch zur Ausführung gebracht werden, indem diese beziehungsweise deren Rechner entsprechend programmiert wird.in this connection It is particularly preferred that the control element be executed set up the method according to the invention is. The control device can be used as a control device for the internal combustion engine is formed with a programmable computer be. Accordingly, the inventive Method on such a control device thereby to execution be brought by these or their computer accordingly is programmed.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in welcher exemplarische Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen:Further Features and advantages of the invention will become apparent from the following Description in which exemplary embodiments the invention explained in more detail with reference to the drawings become. Showing:

1 eine schematische Darstellung eines Einspritzsystems einer Brennkraftmaschine; 1 a schematic representation of an injection system of an internal combustion engine;

2 eine schematische Darstellung einer Regeleinrichtung zum Betreiben der Brennkraftmaschine; 2 a schematic representation of a control device for operating the internal combustion engine;

3 ein Regelelement der Regeleinrichtung aus 2; 3 a rule element of the control device 2 ;

4 ein Detail des Regelelements aus 3; 4 a detail of the rule element 3 ;

5 ein Detail der Regeleinrichtung aus 2; 5 a detail of the control device 2 ;

6 ein Diagramm eines nicht linearen Zusammenhangs zwischen einem Ansteuerstrom einer Zumesseinheit des Einspritzsystems und einer Durchflussrate von Kraftstoff durch die Zumesseinheit; und 6 a diagram of a non-linear relationship between a drive current of a metering unit of the injection system and a flow rate of fuel through the metering unit; and

7 eine graphische Darstellung des Zeitverhaltens eines Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine. 7 a graphical representation of the timing of a method for operating the internal combustion engine.

Die in 1 dargestellte Fahrzeugbrennkraftmaschine 11 für ein Kraftfahrzeug oder Nutzfahrzeug weist ein an einen Motorblock 13 der Brennkraftmaschine 11 angeordnetes Einspritzsystem 15 auf, welches als ein Common-Rail-Einspritzsystem 15 ausgebildet ist. Jedem Brennraum (nicht gezeigt) des Motorblocks 13 ist je ein Einspritzventil 17 des Einspritzsystems 15 derart zugeordnet, dass das entsprechende Einspritzventil 17 bei geeigneter Ansteuerung durch eine nicht gezeigte Steuer- oder Regeleinrichtung in einem Kraftstoffhochdruckspeicher 19 befindlichen Kraftstoff 21 in den Brennraum einspritzen kann. Zu diesem Zweck ist jedes Einspritzventil 17 mit dem Kraftstoffhochdruckspeicher 19 des Einspritzsystems 15 verbunden.In the 1 illustrated vehicle internal combustion engine 11 for a motor vehicle or commercial vehicle has a to an engine block 13 the internal combustion engine 11 arranged injection system 15 acting as a common-rail injection system 15 is trained. Each combustion chamber (not shown) of the engine block 13 is ever an injection valve 17 of the injection system 15 assigned such that the corresponding injection valve 17 with suitable control by a control or regulating device, not shown, in a high-pressure fuel accumulator 19 located fuel 21 can inject into the combustion chamber. For this purpose, each injection valve 17 with the high-pressure fuel storage 19 of the injection system 15 connected.

Ferner weist das Einspritzsystem 15 eine Kraftstoffhochdruckpumpe 23 auf, die ausgangsseitig mit dem Kraftstoffhochdruckspeicher 19 verbunden ist. Eingangsseitig ist die Kraftstoffhochdruckpumpe 23 an einen Ausgang einer Vorförderpumpe 25 angeschlossen. Ein Eingang der Vorförderpumpe 25 ist mit einem Kraftstofftank 27 verbunden. Zwischen dem Kraftstoffhochdruckspeicher 19 und dem Ausgang der Vorförderpumpe 25 beziehungsweise dem Eingang der Kraftstoffhochdruckpumpe 23 ist ein Druckregelventil 29 angeordnet.Furthermore, the injection system 15 a high-pressure fuel pump 23 on the output side with the high-pressure fuel storage 19 connected is. On the input side is the high-pressure fuel pump 23 to an outlet of a prefeed pump 25 connected. An input of the feed pump 25 is with a fuel tank 27 connected. Between the high-pressure fuel storage 19 and the outlet of the pre-feed pump 25 or the input of the high-pressure fuel pump 23 is a pressure control valve 29 arranged.

Die Kraftstoffhochdruckpumpe 23 umfasst eine Zumesseinheit 31, die in Strömungsrichtung vor einer Pumpeinrichtung 33 der Kraftstoffhochdruckpumpe 23 angeordnet ist. Ein Ausgang der Pumpeinrichtung 33 bildet zugleich den Ausgang der Kraftstoffhochdruckpumpe 23.The high-pressure fuel pump 23 includes a metering unit 31 , in the flow direction in front of a pumping device 33 the high-pressure fuel pump 23 is arranged. An outlet of the pumping device 33 at the same time forms the output of the high-pressure fuel pump 23 ,

Die Pumpeinrichtung 33 ist mechanisch mit einer Welle (z. B. Kurbelwelle oder Nockenwelle) des Motorblocks 13 derart gekoppelt, dass der in Betrieb befindliche Motorblock 13 die Pumpeinrichtung 33 antreiben kann.The pumping device 33 is mechanical with a shaft (eg crankshaft or camshaft) of the engine block 13 coupled so that the operating engine block 13 the pumping device 33 can drive.

Sowohl das Druckregelventil 29 als auch die Zumesseinheit 31 weisen jeweils eine elektromagnetische Betätigungseinrichtung zum Einstellen eines Öffnungsquerschnitts des Druckregelventils 29 beziehungsweise der Zumesseinheit 31 auf. Die elektromagnetische Betätigungseinrichtung des Druckregelventils 29 sowie die elektromagnetische Betätigungseinrichtung der Zumesseinheit 31 sind jeweils mit einem Ausgang einer Regeleinrichtung 35 der Brennkraftmaschine 11 verbunden. Ein Eingang der Regeleinrichtung 35 ist mit einem Drucksensor 37 verbunden, der mit einem Innenraum des Kraftstoffhochdruckspeichers 19, in dem sich der Kraftstoff 21 befindet, hydraulisch gekoppelt ist.Both the pressure control valve 29 as well as the metering unit 31 each have an electromagnetic actuator for adjusting an opening cross section of the pressure regulating valve 29 or the metering unit 31 on. The electromagnetic actuator of the pressure control valve 29 and the electromagnetic actuator of the metering unit 31 are each with an output of a control device 35 the internal combustion engine 11 connected. An input of the control device 35 is with a pressure sensor 37 connected to an interior of the high-pressure fuel storage 19 in which the fuel is 21 is hydraulically coupled.

In 2 ist der Aufbau der Regeleinrichtung 35 anhand eines Signalflussdiagramms näher dargestellt. In diesem Signalflussdiagramm ist außer der Regeleinrichtung 35, wie in der Regelungstechnik üblich, auch das zu regelnde System, nämlich das Einspritzsystem 15, dargestellt. Die Regeleinrichtung 35 weist ein als ein Mehrgrößenregler 43 ausgebildetes Regelelement, eine Vorsteuereinrichtung 45, einen Beobachter 47 sowie Rechenmittel 49 zum Berechnen von Führungsgrößen (Vektor yM) und Zustandsgrößen (Vektor xM) auf. Ein Ausgang des Mehrgrößenreglers 43 zum Ausgeben von Stellgrößen (Vektor uC) und ein Ausgang der Vorsteuereinrichtung 45 zum Ausgeben von Stellgrößenanteilen (Vektor uM) sind an unterschiedliche Eingänge eines ersten Addierers 51 angeschlossen. Ein Ausgang des ersten Addierers 51 zum Ausgeben von resultierenden Stellgrößen (Vektor u) ist mit dem Einspritzsystem 15, das heißt den elektromagnetischen Verstelleinrichtungen des Druckregelventils 29 und der Zumesseinheit 31 sowie mit dem Beobachter 47, verbunden. Der mittels des Drucksensors 37 erfasste Raildruck pRail bildet eine Komponente eines Regelgrößenvektors y. Der Regelgrößenvektor y beziehungsweise Signale, die Werte der einzelnen Regelgrößen des Regelgrößenvektors y charakterisieren, sind an den Mehrgrößenregler 43 sowie an den Beobachter 47 angeschlossen.In 2 is the structure of the control device 35 illustrated in more detail by means of a signal flow diagram. In this signal flow diagram is out of the control device 35 , as usual in control technology, and the system to be controlled, namely the injection system 15 represented. The control device 35 has one as a multi-variable controller 43 trained control element, a pilot control device 45 , an observer 47 as well as computing resources 49 for calculating reference quantities (vector y M ) and state variables (vector x M ). One output of the multivariable controller 43 for outputting manipulated variables (vector u C ) and an output of the pilot control device 45 for outputting manipulated variable components (vector u M ) are to different inputs of a first adder 51 connected. An output of the first adder 51 for outputting resulting manipulated variables (vector u) is with the injection system 15 that is the electromagnetic adjustment of the pressure control valve 29 and the metering unit 31 as well as with the observer 47 , connected. The by means of the pressure sensor 37 detected rail pressure p Rail forms a component of a control variable vector y. The control variable vector y or signals which characterize values of the individual controlled variables of the controlled variable vector y are connected to the multi-variable controller 43 as well as to the observer 47 connected.

Ein Ausgang des Beobachters 47 zum Ausgeben von geschätzten Zustandsgrößen (Vektor x ^) ist an den Mehrgrößenregler 43 angeschlossen. Ein Ausgang der Rechenmittel 49 zum Ausgeben der Führungsgrößen yM ist mit jeweils einem entsprechenden Eingang der Vorsteuereinrichtung 45 und des Mehrgrößenreglers 43 verbunden. Außerdem ist der Ausgang der Rechenmittel 49 zum Ausgeben von berechneten Zustandsgrößen xM an einen weiteren Eingang des Mehrgrößenreglers 43 angeschlossen. Die Rechenmittel 49 weisen einen Eingang zum Eingeben von Sollwerten (Vektor r) auf. Dieser Eingang der Rechenmittel 49 kann mit einem entsprechenden Ausgang eines Sollwertgebers der weiteren, nicht gezeigten Steuer- oder Regeleinrichtung der Brennkraftmaschine 11 verbunden sein.An exit of the observer 47 for outputting estimated state variables (vector x ^) is to the multi-variable controller 43 connected. An output of the calculating means 49 for outputting the reference variables y M is in each case a corresponding input of the pilot control device 45 and the multivariable controller 43 connected. In addition, the output of the computing means 49 for outputting calculated state variables x M to a further input of the multivariable controller 43 connected. The calculating means 49 have an input for inputting desired values (vector r). This input of the computing means 49 can with a corresponding output of a setpoint generator of the other, not shown control or regulating device of the internal combustion engine 11 be connected.

Wie mit einem gestrichelten Pfeil vom zu regelnden Einspritzsystem 15 hin zum Mehrgrößenregler 43 dargestellt, kann eine Zustandsrückführung vom Einspritzsystem 15 zum Mehrgrößenregler 43 vorgesehen werden. Als rückzuführende Zustandgröße kann beispielsweise eine mittels eines zusätzlichen Sensors erfasste Durchflussrate QMeUn von Kraftstoff 21 durch die Zumesseinheit 31 herangezogen werden.As with a dashed arrow from the injection system to be controlled 15 towards the multivariable controller 43 shown, may be a state feedback from the injection system 15 to the multivariable controller 43 be provided. By way of example, a flow rate Q MeUn of fuel detected by means of an additional sensor can be used as the state variable to be returned 21 through the metering unit 31 be used.

Das in 3 dargestellte Signalflussdiagramm zeigt den Mehrgrößenregler 43 im Detail. Man erkennt, dass der Mehrgrößenregler 43 einen ersten Subtrahierer 53 zum Berechnen einer Regeldifferenz (Vektor e) aus den Führungsgrößen yM und den Sollwerten y aufweist. Ein Ausgang des ersten Subtrahierers 53 ist mit einem Eingang eines Integralreglers 55 des Mehrgrößenreglers 43 mit einer Verstärkungsmatrix KI und mit einem Eingang eines Proportionalreglers 59 des Mehrgrößenreglers 43 mit einer Verstärkungsmatrix KP verbunden.This in 3 shown signal flow diagram shows the multi-variable controller 43 in detail. It can be seen that the multi-variable controller 43 a first subtractor 53 for calculating a control difference (vector e) from the reference variables y M and the setpoint values y. An output of the first subtractor 53 is with an input of an integral controller 55 of the multivariable controller 43 with a gain matrix K I and with an input of a proportional controller 59 of the multivariable controller 43 connected to a gain matrix K p .

Des Weiteren weist der Mehrgrößenregler 43 einen zweiten Subtrahierer 57 zum Berechnen einer Zustandsgrößendifferenz (Vektor x ~) zwischen den berechneten Zustandsgrößen xM und den geschätzten Zustandsgrößen x ^ auf. Ein Ausgang des zweiten Subtrahierers 57 ist mit einem weiteren Eingang des Proportionalreglers 59 und mit einem weiteren Eingang des Integralreglers 55 verbunden.Furthermore, the multi-variable controller 43 a second subtractor 57 for calculating a state quantity difference (vector x ~) between the calculated state variables x M and the estimated state variables x ^. An output of the second subtractor 57 is with another input of the proportional controller 59 and with another input of the integral controller 55 connected.

Ein Ausgang des Integralreglers 55 zum Ausgeben eines Integralanteils (Vektor uI) ist über einen zweiten Addierer 61 mit einem Eingang eines Verzögerungselements 63 verbunden. Ein Ausgang des Verzögerungselements 63 sowie ein Ausgang des Proportionalreglers 59 zum Ausgeben eines Proportionalanteils (Vektor uP) sind mit jeweils einem Eingang eines dritten Addierers 65 verbunden. Ein Ausgang des dritten Addierers 65 ist mit einem Eingang eines Begrenzers 67 verbunden. Der Eingang des Begrenzers 67 sowie ein Ausgang des Begrenzers 67 sind derart an verschiedene Eingänge eines dritten Subtrahierers 69 angeschlossen, dass der dritte Subtrahierer 69 Größen (Vektor uC,ARW) am Eingang des Begrenzers 67 von einem Signal am Ausgang des Begrenzers 67 subtrahiert und als Ergebnis ein weitere Größen (Vektor vARW) bildet. Der Ausgang des dritten Subtrahierers 69 ist an eine Kompensationseinrichtung 71 angeschlossen, die einen Ausgang zum Ausgeben von noch weiteren Größen (Vektor uARW) aufweist, der mit einem Eingang des zweiten Addierers 61 verbunden ist. Die Kompensationseinrichtung 71, der dritte Subtrahierer 69 sowie der Begrenzer 67 bilden zusammen eine Anordnung 73 zum Ausgleich eines so genannten ”Reset-Windup” des Integralreglers 55.An output of the integral controller 55 for outputting an integral part (vector u I ) is via a second adder 61 with an input of a delay element 63 connected. An output of the delay element 63 and an output of the proportional controller 59 for outputting a proportional component (vector u P ) are each having an input of a third adder 65 connected. An output of the third adder 65 is with an input of a limiter 67 connected. The entrance of the limiter 67 and an output of the limiter 67 are thus to different inputs of a third subtractor 69 connected that third subtractor 69 Quantities (vector u C, ARW ) at the input of the limiter 67 from a signal at the output of the limiter 67 subtracted and as a result forms another variable (vector v ARW ). The output of the third subtractor 69 is to a compensation device 71 connected, which has an output for outputting still further quantities (vector u ARW ), with an input of the second adder 61 connected is. The compensation device 71 , the third subtractor 69 as well as the limiter 67 together form an arrangement 73 to compensate for a so-called "reset windup" of the integral controller 55 ,

Der Ausgang des Begrenzers 67 ist außerdem mit einem Eingang eines Kennfeldelements 75, das eine nicht lineare Kennlinie aufweist, verbunden. Ein Ausgang des Kennfeldelements 75 bildet den Ausgang des Mehrgrößenreglers 43 zum Ausgeben der Stellgrößen uC.The output of the limiter 67 is also with an input of a map element 75 , which has a non-linear characteristic connected. An output of the map element 75 forms the output of the multivariable controller 43 for outputting the manipulated variables u C.

4 zeigt den Aufbau der Kompensationseinrichtung 71. Der Eingang der Kompensationseinrichtung 71 ist mit einem Eingang eines ersten Skalierelements 77 zum Multiplizieren des Vektors vARW mit einer konstanten Matrix BC und mit dem Eingang eines zweiten Skalierelements 79 zum Multiplizieren des Vektors vARW mit einer weiteren konstanten Matrix DC verbunden. Ein Ausgang des ersten Skalierelements 77 ist über einen vierten Addierer 81 und einem weiteren Verzögerungselement 83 mit einem Eingang eines dritten Skalierelements 85 verbunden. 4 shows the construction of the compensation device 71 , The input of the compensation device 71 is with an input of a first scaling element 77 for multiplying the vector v ARW by a constant matrix B C and the input of a second scaling element 79 for multiplying the vector v ARW by a further constant matrix D C. An output of the first scaling element 77 is over a fourth adder 81 and another delay element 83 with an input of a third scaling element 85 connected.

Ein Ausgang des Verzögerungselements 83 ist außer mit dem Eingang des dritten Skalierelements 85, das eine konstante Verstärkungsmatrix CC aufweist, mit einem Eingang eines vierten Skalierelements 87 mit einer konstanten Verstärkungsmatrix AC verbunden, dessen Ausgang an einen weiteren Eingang des vierten Addierers 81 angeschlossen ist. Ein fünfter Addierer 89 der Kompensationseinrichtung 71 weist einen ersten Eingang, der mit einem Ausgang des zweiten Skalierelements 79 verbunden ist und einen zweiten Eingang auf, der an einen Ausgang des dritten Skalierelements 85 verbunden ist. Ein Ausgang des fünften Addierers 89 bildet den Ausgang der Kompensationseinrichtung 71 zum Ausgeben des Vektors uARW.An output of the delay element 83 is except with the input of the third scaling element 85 having a constant gain matrix C C with an input of a fourth scaling element 87 connected to a constant gain matrix A C whose output is connected to another input of the fourth adder 81 connected. A fifth adder 89 the compensation device 71 has a first input connected to an output of the second scaling element 79 and a second input connected to an output of the third scaling element 85 connected is. An output of the fifth adder 89 forms the output of the compensation device 71 to output the vector u ARW .

5 zeigt den Aufbau der Rechenmittel 49. Der Eingang für den Sollwertvektor r ist mit einem fünften Skalierelement 91 zum Multiplizieren des Sollwertvektors r mit einer konstanten Matrix BM verbunden, dessen Ausgang an einen sechsten Addierer 93 angeschlossen ist. Ein Ausgang des sechsten Addierers 93 ist an ein drittes Verzögerungselement 95 angeschlossen. Ein Ausgang des dritten Verzögerungselements 95 führt zu Eingängen eines sechsten Skalierelements 97 sowie zu einem Eingang eines siebten Skalierelements 99 mit einer Verstärkungsmatrix CM. Das sechste Skalierelement 97 ist zum Multiplizieren des über den Ausgang des dritten Verzögerungselements 95 ausgegebenen Vektors mit einer konstanten Matrix Am eingerichtet. Ein Ausgang des sechsten Skalierelements 97 ist mit einem weiteren Eingang des sechsten Addierers 93 verbunden. Das siebte Skalierelement 99 ist zum Multiplizieren des vom dritten Verzögerungselements 95 ausgegebenen Vektors mit der konstanten Matrix Cm eingerichtet. Der Ausgang des dritten Verzögerungselements 95 entspricht dem Ausgang der Rechenmittel 49 zum Ausgeben der berechneten Zustandsgrößen xM, und der Ausgang des siebten Skalierelements 99 entspricht dem Ausgang der Rechenmittel 49 zum Ausgeben der Führungsgrößen yM. 5 shows the structure of the calculation means 49 , The input for the setpoint vector r is with a fifth scaling element 91 for multiplying the setpoint vector r by a constant matrix B M whose output is connected to a sixth adder 93 connected. An output of the sixth adder 93 is at a third delay element 95 connected. An output of the third delay element 95 leads to Inputs of a sixth scaling element 97 and to an input of a seventh scale element 99 with a gain matrix C M. The sixth scaling element 97 is to multiply the over the output of the third delay element 95 output vector set up with a constant matrix A m . An output of the sixth scaling element 97 is with another input of the sixth adder 93 connected. The seventh scale element 99 is to multiply that of the third delay element 95 output vector with the constant matrix C m . The output of the third delay element 95 corresponds to the output of the calculation means 49 for outputting the calculated state variables x M , and the output of the seventh scaling element 99 corresponds to the output of the calculation means 49 for outputting the command quantities y M.

Abweichend von der in der 2 gezeigten Ausführungsform können die Vorsteuereinrichtung 45, der Beobachter 47 und/oder die Rechenmittel 49 entfallen. In einer nicht gezeigten Ausführungsform weist die Regeleinrichtung 35 lediglich den Mehrgrößenregler 43 auf.Notwithstanding the in the 2 In the embodiment shown, the pilot control device 45 , the Observer 47 and / or the computing means 49 omitted. In an embodiment not shown, the control device 35 only the multi-variable controller 43 on.

Im Folgenden wird die Funktionsweise der Regeleinrichtung 35 beziehungsweise eines entsprechenden Regelverfahrens genauer erläutert.The following is the operation of the control device 35 or a corresponding control method explained in more detail.

Beim Betrieb der Brennkraftmaschine 11 fördert die Vorförderpumpe 25 Kraftstoff aus dem Kraftstofftank 27 zum Eingang der Hochdruckpumpe 23 und setzt den Kraftstoff 21 hierbei unter einen relativ geringen Vorförderdruck p1 (siehe 1). Der Kraftstoff 21 gelangt über die zumindest teilweise geöffnete Zumesseinheit 31 zur Pumpeinrichtung 33 der Kraftstoffhochdruckpumpe 23, die angetrieben von dem Motorblock 13 der Brennkraftmaschine 11, den Kraftstoff 21 in den Kraftstoffhochdruckspeicher 19 fördert.During operation of the internal combustion engine 11 promotes the pre-feed pump 25 Fuel from the fuel tank 27 to the input of the high pressure pump 23 and put the fuel 21 Here, under a relatively low feed pressure p 1 (see 1 ). The fuel 21 passes over the at least partially open metering unit 31 to the pumping device 33 the high-pressure fuel pump 23 powered by the engine block 13 the internal combustion engine 11 , the fuel 21 in the high-pressure fuel storage 19 promotes.

Die nicht gezeigte Steuer- oder Regeleinrichtung steuert die Einspritzventile 17 so an, dass abhängig von dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine 11 zu geeigneten Zeitpunkten die richtige Kraftstoffmenge in die Brennräume des Motorblocks 13 eingespritzt wird. Gleichzeitig gibt diese Steuer- oder Regeleinrichtung der Regeleinrichtung 35 einen Sollwert r für einen momentan zum Betreiben der Brennkraftmaschine 11 benötigten Raildruck pRail des im Kraftstoffhochdruckspeicher 19 befindlichen Kraftstoffs 21 vor. Der Raildruck pRail ist erheblich größer als der Vorförderdruck p1. Der Raildruck pRail liegt üblicherweise in einem Bereich von einigen Hundert bar von bis zu 2000 bar.The control device, not shown, controls the injectors 17 so that, depending on the operating condition of the internal combustion engine 11 at appropriate times the right amount of fuel into the combustion chambers of the engine block 13 is injected. At the same time this control or regulating device of the control device 35 a setpoint r for a moment to operate the internal combustion engine 11 required rail pressure p Rail of the high-pressure fuel storage 19 located fuel 21 in front. The rail pressure p Rail is considerably greater than the prefeed pressure p 1 . The rail pressure p Rail is usually in a range of a few hundred bar of up to 2000 bar.

Die Regeleinrichtung 35 erzeugt Stellgrößen in Form eines Ansteuerstroms iMeUn für die Zumesseinheit 31 und eines Ansteuerstroms iPCV für das Druckregelventil 29. Das heißt, durch Andern dieser Ansteuerströme iMeUn beziehungsweise iPCV stellt die Regeleinrichtung 35 einen Öffnungsgrad der Zumesseinheit 31 beziehungsweise des Druckregelventils 29 ein. Hierbei ermittelt die Regeleinrichtung 35 den Wert der Ansteuerströme iMeUn beziehungsweise iPCV in Abhängigkeit von dem Sollwert r und den mittels des Drucksensors 37 erfassten Druck pRail im Kraftstoffspeicher 19 (Raildruck).The control device 35 generates manipulated variables in the form of a drive current i MeUn for the metering unit 31 and a drive current i PCV for the pressure control valve 29 , That is, by changing these drive currents i MeUn or i PCV is the control device 35 an opening degree of the metering unit 31 or the pressure control valve 29 one. In this case, determines the control device 35 the value of the drive currents i MeUn or i PCV as a function of the setpoint r and the means of the pressure sensor 37 detected pressure p rail in the fuel tank 19 (Rail pressure).

Beispielsweise kann die Regeleinrichtung 35 durch Erhöhen des Ansteuerstroms iMeUn ein Öffnungsgrad der Zumesseinheit 31 verringern und somit die Durchflussrate QMeUn durch die Kraftstoffhochdruckpumpe 23 drosseln. Hierdurch wird der Raildruck pRail verringert oder zumindest ein Ansteigen des Raildrucks pRail verlangsamt oder vermieden. Außerdem kann die Regeleinrichtung 35 mittels des Ansteuerstroms iPCV den Öffnungsquerschnitt des Druckregelventils 29 beeinflussen und somit eine Rückflussrate QPCV von dem Kraftstoffhochdruckspeicher 19 zurück zum Ausgang der Vorförderpumpe 25 beziehungsweise dem Eingang der Kraftstoffhochdruckpumpe 23 beeinflussen. Eine Erhöhung der Rückflussrate QPCV wirkt sich in der Regel druckmindernd auf den Raildruck pRail aus.For example, the control device 35 by increasing the drive current i MeUn an opening degree of the metering unit 31 and thus the flow rate Q MeUn through the high-pressure fuel pump 23 curb. As a result, the rail pressure p Rail is reduced or at least an increase in the rail pressure p Rail slowed or avoided. In addition, the control device 35 by means of the drive current i PCV the opening cross-section of the pressure control valve 29 affect and thus a reflux rate Q PCV of the high-pressure fuel storage 19 back to the outlet of the pre-feed pump 25 or the input of the high-pressure fuel pump 23 influence. An increase in the reflux rate Q PCV usually has a pressure-reducing effect on the rail pressure p Rail .

Da der Raildruck pRail erheblich größer ist als der Vorförderdruck p1, werden diejenigen Bereiche des Einspritzsystems 15, die mit dem Kraftstoffhochdruckspeicher 19 hydraulisch unmittelbar gekoppelt sind, als Hochdruckbereich 39 des Einspritzsystems 15 bezeichnet, wohingegen diejenigen Bereiche des Einspritzsystems 15, die hydraulisch unmittelbar mit dem Ausgang der Vorförderpumpe 25 gekoppelt sind, als Niederdruckbereich 41 bezeichnet werden.Since the rail pressure p Rail is considerably greater than the prefeed pressure p 1 , those areas of the injection system become 15 that with the high-pressure fuel storage 19 hydraulically coupled directly, as a high pressure area 39 of the injection system 15 whereas those areas of the injection system 15 , which are hydraulically directly connected to the outlet of the pre-feed pump 25 are coupled, as a low pressure area 41 be designated.

Wie aus den 1 und 2 ersichtlich ist, wird beim Betrieb der Brennkraftmaschine 11 der Raildruck pRail als eine Regelgröße, die eine Komponente des Regelgrößenvektors y bildet, erfasst. Zudem werden den Rechenmitteln 49 eine oder mehrere Sollgrößen, die Komponenten des Sollgrößenvektors r sind, vorgegeben. Die Regeleinrichtung 35 berechnet insbesondere in Abhängigkeit von dem Sollwertvektor r und dem Regelgrößenvektor y den Stellgrößenvektor uC. Der Sollgrößenvektor r kann als Komponenten einen Sollwert des Raildrucks pRail und/oder weitere Sollwerte, wie beispielsweise einen Sollwert der Rückflussrate QPCV aufweisen. Dem Stellgrößenvektor uC wird der Vektor uM, der den Stellgrößenanteil charakterisiert, überlagert, um den Vektor u zu erhalten, der als Komponenten die resultierenden Stellgrößen in Form der Ansteuerströme iMeUn sowie iPCV enthält.Like from the 1 and 2 is apparent during operation of the internal combustion engine 11 the rail pressure p Rail is detected as a control variable that forms a component of the control variable vector y. In addition, the computing resources 49 one or more desired values, which are components of the setpoint vector r, are predetermined. The control device 35 calculated in particular in dependence on the setpoint vector r and the control variable vector y the manipulated variable vector u C. The setpoint vector r can have as components a desired value of the rail pressure p Rail and / or further setpoint values, such as, for example, a desired value of the reflux rate Q PCV . The manipulated variable vector u C is superimposed on the vector u M , which characterizes the manipulated variable component to obtain the vector u, which contains as components the resulting control variables in the form of the drive currents i MeUn and i PCV .

Die Regeleinrichtung 35 stellt mit einem einzigen Regelelement, nämlich mit dem Mehrgrößenregler 43, gleichzeitig zwei Aktoren, nämlich die Zumesseinheit 31 und das Druckregelventil 29 ein. Beim Regeln der Brennkraftmaschine 11 kann somit nahtlos zwischen verschiedenen Regelstrategien gewechselt werden. Als Regelstrategien können beispielsweise vorgesehen werden: eine Regelung, bei der lediglich die Zumesseinheit 31 (engl. Metering Unit, MeUn) eingestellt wird und das Druckregelventil 29 geschlossen bleibt (MeUn-Regelung), eine Regelung, bei der ohne Variation des Öffnungsgrads der Zumesseinheit 31 der Raildruck pRail lediglich durch Verstellen des Druckregelventils 29 (engl. Pressure Control Valve, PCV) geregelt wird (PCV-Regelung) oder eine Regelung, bei der sowohl die Zumesseinheit 31 als auch das Druckregelventil 29 verstellt werden (gekoppelte Druckregelung, engl. Coupled Pressure Control, CPC).The control device 35 provides with a single control element, namely with the multi-variable controller 43 , simultaneously two actuators, namely the metering unit 31 and the pressure control valve 29 one. When controlling the internal combustion engine 11 can thus be seamlessly switched between different control strategies. As control strategies can be provided for example: a scheme in which only the metering unit 31 (Metering Unit, MeUn) is set and the pressure control valve 29 remains closed (MeUn control), a scheme in which without varying the opening degree of the metering unit 31 the rail pressure p Rail only by adjusting the pressure control valve 29 (English Pressure Control Valve, PCV) is regulated (PCV control) or a regulation in which both the metering unit 31 as well as the pressure control valve 29 be adjusted (coupled pressure control, Coupled Pressure Control, CPC).

Sämtliche Regelstrategien können mit dem Mehrgrößenregler 43 realisiert werden, das heißt es müssen für die einzelnen Regelstrategien keine getrennten Regelelemente vorgesehen werden.All control strategies can be combined with the multi-variable controller 43 be realized, that is, it must be provided for the individual control strategies no separate control elements.

Der Mehrgrößenregler 43 hält den momentanen Zustand des zu regelnden Systems, das heißt des Einspritzsystems 15, in einem Zustandsvektor x, der zu einem Zustandsraum X gehört vor, das heißt x ∊ X. Der Zustandsraum X kann als Zustandsgrößen den Raildruck pRail, die Rückflussrate QPCV durch das Druckregelventil 29, die Durchflussrate QMeUn durch die Zumesseinheit 31 und einen Integralanteil pRail,l des Raildrucks pRail umfassen. Der Integralanteil pRail,l des Raildrucks pRail kann nicht unmittelbar erfasst werden. Er wird indirekt durch Integration einer Führungsgröße des Raildrucks, die beispielsweise von den Rechenmitteln 49 berechnet werden kann, ermittelt. Dadurch, dass der Mehrgrößenregler 43 den Integralanteil als Zustandsgröße aufweist, wird erreicht, dass beim Betrieb des Einspritzsystems 15 eine Regelabweichung des Raildrucks prail zumindest weitgehend zu Null wird, sodass nach einem Einregeln keine von Null verschiedene Regelabweichung über längere Zeit verbleibt.The multi-variable controller 43 keeps the current state of the system to be controlled, that is the injection system 15 , in a state vector x, which belongs to a state space X before, that is x ε X. The state space X can as state variables the rail pressure p Rail , the return flow rate Q PCV through the pressure control valve 29 , the flow rate Q MeUn through the metering unit 31 and an integral portion p Rail, l of the rail pressure p Rail . The integral component p Rail, l of the rail pressure p Rail can not be detected directly. He is indirectly by integrating a reference variable of the rail pressure, for example, by the computing means 49 can be calculated determined. Because of the multi-variable controller 43 has the integral component as a state variable, it is achieved that during operation of the injection system 15 a control deviation of the rail pressure p rail is at least largely zero, so that after a Einregeln no non-zero deviation remains for a long time.

Die Dimensionierung und Auslegung des Mehrgrößenreglers 43 erfolgt durch Betrachtung der Zustandsgrößen x im Zustandsraum X. Hierfür werden Modelle mit physikalischen Größen verwendet, die die Systemdynamik, die inverse Systemdynamik und die Führungsgrößen abbilden. Die Regeleinrichtung 35 gemäß der gezeigten Ausführungsform arbeitet zeitdiskret. Folglich erfolgt die Beschreibung dieser Modelle insbesondere mit Hilfe von Differenzengleichungen. Darüber hinaus können auch andere Beschreibungsansätze zur Beschreibung der Modelle, wie beispielsweise Automaten, Differenzialgleichungen oder ganz allgemein mathematischen Funktionen verwendet werden. Hierbei kann die Beschreibung im Zeitbereich und/oder im Frequenzbereich vorgenommen werden und je nach Bedarf zeitkontinuierlich oder zeitdiskret erfolgen.The dimensioning and design of the multivariable controller 43 takes place by considering the state variables x in the state space X. For this purpose, models with physical quantities are used which map the system dynamics, the inverse system dynamics and the reference variables. The control device 35 according to the embodiment shown operates time-discretely. Consequently, the description of these models is made in particular by means of difference equations. In addition, other descriptive approaches may be used to describe the models, such as automata, differential equations, or more generally, mathematical functions. In this case, the description can be made in the time domain and / or in the frequency domain and, depending on the need, be time-continuous or time-discrete.

Unter Verwendung dieser Modellierungsansätze kann der Mehrgrößenregler 43 synthetisiert werden, wobei der Mehrgrößenregler 43 je nach Dimensionierung eine der drei oben genannten Regelungsstrategien realisiert oder beispielsweise in Abhängigkeit vom Systemzustand x zwischen diesen Regelungsstrategien hin und her wechselt. Hierdurch wird eine hohe Wiederverwendbarkeit der Regeleinrichtung 35 erreicht. Beispielsweise kann eine für die in 1 gezeigte Brennkraftmaschine 11 mit der Zumesseinheit 31 und dem Druckregelventil 29 entworfene Regeleinrichtung 35 auch für eine Brennkraftmaschine 11 verwendet werden, die lediglich einen Aktor, beispielsweise nur die Zumesseinheit 31, aufweist. Beim Betrieb einer solchen Brennkraftmaschine 11 ohne Druckregelventil 29 wird im Zustandsvektor x die Komponente, die die Rückflussrate QPCV durch die Zumesseinheit 31 charakterisiert, auf Null gesetzt.Using these modeling approaches, the multivariable controller can 43 be synthesized, the multi-variable controller 43 depending on the dimensioning realized one of the three control strategies mentioned above or, for example, depending on the system state x switches between these control strategies back and forth. This results in a high reusability of the control device 35 reached. For example, one for the in 1 shown internal combustion engine 11 with the metering unit 31 and the pressure control valve 29 designed control device 35 also for an internal combustion engine 11 be used, the only one actuator, for example, only the metering unit 31 , having. In the operation of such an internal combustion engine 11 without pressure control valve 29 is in the state vector x, the component, the return flow rate Q PCV through the metering unit 31 characterized, set to zero.

Es ist denkbar, den Beobachter 47 zum Generieren von Informationen über den momentanen Systemzustand zu verwenden, die bei der Überwachung und der Diagnose der Brennkraftmaschine 11 beziehungsweise des Einspritzsystems 15 verwendet werden können.It is conceivable to the observer 47 to generate information about the current system state, which is used in the monitoring and the diagnosis of the internal combustion engine 11 or the injection system 15 can be used.

Einige Komponenten der Regeleinrichtung 35 sind optimal, das heißt abweichend von der gezeigten Ausführungsform können beispielsweise die Vorsteuereinrichtung 45, die Rechenmittel 49 und/oder der Beobachter 47 entfallen.Some components of the control device 35 are optimal, that is different from the embodiment shown, for example, the pilot control device 45 , the calculating means 49 and / or the observer 47 omitted.

Das Verhalten des Einspritzsystems 15 kann in zeitdiskreter Form mittels Differenzengleichungen dargestellt werden. Hierzu kann eine Systemgleichung und eine Ausgangsgleichung aufgestellt werden und Anfangsbedingungen in Form eines Anfangszustandsgrößenvektors x0 vorgegeben werden. Allgemein lässt sich das Einspritzsystem 15 also folgendermaßen beschreiben: Systemgleichung: x(k + 1) = Ax(k) + Bu(k); Ausgangsgleichung: y(k) = Cx(k) + Du(k); Anfangszustandsgrößenvektor x(0) = x0. The behavior of the injection system 15 can be represented in time-discrete form by means of difference equations. For this purpose, a system equation and an output equation can be set up and initial conditions can be specified in the form of an initial state quantity vector x 0 . Generally, the injection system can be 15 so describe as follows: System equation: x (k + 1) = Ax (k) + Bu (k); Starting equation: y (k) = Cx (k) + Du (k); Initial state quantity vector x (0) = x 0 ,

Hierbei steht A für eine Systemmatrix der Regelstrecke, B für eine Eingangsmatrix der Regelstrecke, C für eine Ausgangsmatrix der Regelstrecke und D für eine Durchgangsmatrix der Regelstrecke. Die Regelstrecke ist hierbei als ein Modell des Einspritzsystems 15 zu betrachten (siehe Darstellung des Einspritzsystems 15 als gestrichelter Kasten in 2). Die Variable k steht für die Zeit, das heißt für die Nummer des Abtastschrittes des zeitdiskret arbeitenden Mehrgrößenreglers 43.Here, A stands for a system matrix of the controlled system, B for an input matrix of the controlled system, C for an output matrix of the controlled system and D for a passage matrix of the controlled system. The controlled system is here as a model of the injection system 15 to look at (see illustration of the injection system 15 as a dashed box in 2 ). The variable k stands for the time, that is to say for the number of the sampling step of the time-discrete multivariable controller 43 ,

Der Zustandsgrößenvektor x umfasst hierbei den Raildruck prail, die Rückflussrate QPCV durch das Druckregelventil 29 sowie die Durchflussrate QMeUN durch die Zumesseinheit 31, das heißt

Figure 00140001
The state variable vector x in this case comprises the rail pressure p rail , the return flow rate Q PCV through the pressure regulating valve 29 and the flow rate Q MeUN through the metering unit 31 , this means
Figure 00140001

Der Eingangsgrößenvektor u umfasst die beiden Ansteuerströme iMeUN sowie iPCV und der Ausgangsgrößenvektor y, der dem Regelgrößenvektor der Regeleinrichtung 35 entspricht, umfasst den Raildruck pRail sowie die Durchflussrate QPCV durch das Druckregelventil 29, das heißt

Figure 00140002
The input variable vector u comprises the two drive currents i MeUN and i PCV and the output variable vector y, which is the control variable vector of the control device 35 corresponds, includes the rail pressure p Rail and the flow rate Q PCV through the pressure control valve 29 , this means
Figure 00140002

Um das Regelverhalten der Regeleinrichtung 35 weiter zu verbessern, kann – wie in der gezeigten Ausführungsform geschehen – im Zustandsgrößenvektor ein erweiterter Anteil xI vorgesehen werden, der Integralanteile der Zustandsgrößen aufweist. Hierbei kann vorgesehen werden, dass der erweiterte Anteil xI lediglich den Integralanteil prail,l des Raildrucks prail umfasst. Eine solche um den Integralanteil erweiterte Darstellung des Einspritzsystems 15 umfasst die folgenden Gleichungen:

Figure 00150001
To the control behavior of the control device 35 To further improve, as in the embodiment shown, an extended component x I can be provided in the state variable vector, which has integral components of the state variables. It can be provided here that the expanded component x I only comprises the integral component p rail, l of the rail pressure p rail . Such a representation of the injection system extended by the integral part 15 includes the following equations:
Figure 00150001

Man erkennt, dass der Zustandsgrößenvektor x und der Regelgrößenvektor y jeweils um den Integralanteil prail,l des Raildrucks prail ergänzt sind.It can be seen that the state variable vector x and the control variable vector y are each supplemented by the integral component p rail, l of the rail pressure p rail .

Zur Synthese des Mehrgrößenreglers 43 können bekannte Methoden der Regelungstechnik wie beispielsweise Polzuweisung, die H∞-Methode, die Eigenwertvorgabe nach Ackermann, Optimalregelung (LU-Regelung) beispielsweise über Zustandsrückführung oder Ausgangsrückführung, Optimalregelung beispielsweise unter Verwendung der Riccati-Gleichung in Matrixform oder unter Verwendung der Hamilton-Jacobi-Bellman-Gleichung verwendet werden.For the synthesis of the multivariable controller 43 known methods of control engineering such as pole assignment, the H ∞ method, the Ackermann eigenvalue setting, LU control, for example via state feedback or output feedback, optimal control, for example using the Riccati equation in matrix form or using the Hamilton-Jacobi Bellman equation can be used.

Ausgehend von der Modellierung des Einspritzsystems 15 anhand der Gleichungen ohne den Integralanteil kann bei der Synthese des Mehrgrößenreglers 43 beispielsweise der Ansatz der optimalen Ausgangsrückführung verfolgt werden, wobei ein quadratisches Gütefunktional J = xT(k)Px(k)zugrunde gelegt wird. Zur Synthese des Mehrgrößenreglers 43 ist das Gütefunktional J zu minimieren. Die Matrix P entspricht der Riccati-Matrix. Aus der Riccati-Gleichung folgt (A – BKPC)TP + P(A – BKPC) + CTKP TRKPC + Q = 0. Based on the modeling of the injection system 15 Using the equations without the integral part can be used in the synthesis of the multivariable controller 43 For example, the optimal output feedback approach can be followed, with a quadratic quality functional J = x T (K) P x (k) is taken as a basis. For the synthesis of the multivariable controller 43 is the quality function J to minimize. The matrix P corresponds to the Riccati matrix. From the Riccati equation follows (A - BK P C) T P + P (A - BK P C) + C T K P T RK P C + Q = 0.

Ziel dieses Optimierungsproblems ist es, dem Proportionalregler 59 zu dimensionieren, das heißt eine Verstärkungsmatrix KP des Proportionalreglers 59 zu berechnen. Es gilt KP = R–1BTPLCT(CLCT)–1 wobei das Formelzeichen L für eine Beobachtermatrix steht, für die gemäß der Lyapunov-Gleichung folgender Zusammenhang gilt: (A – BKPC)L + L(A – BKPC)T + I = 0. The goal of this optimization problem is the proportional controller 59 to dimension, that is, a gain matrix K P of the proportional controller 59 to calculate. It applies K P = R -1 B T PLC T (CLC T ) -1 where the symbol L stands for an observer matrix for which, according to the Lyapunov equation, the following applies: (A - BK P C) L + L (A - BK P C) T + I = 0.

Abweichend von der gezeigten Ausführungsform (siehe 3) kann der Integralregler 55 entfallen. In diesem Fall kann jedoch bei Auftreten von Störgrößen im Einspritzsystem 15 eine bleibende Regeldifferenz e auftreten, die vom Mehrgrößenregler 43 nicht vollständig ausgeglichen, das heißt auf den Wert e = 0 geregelt wird. Um ein zuverlässiges Ausgleichen der Regeldifferenz e zu erzielen, ist in der gezeigten Ausführungsform zusätzlich zum Proportionalregler 59 der Integralregler 55 mit einer Verstärkungsmatrix KI vorgesehen. Das heißt die Regelstrecke ist künstlich um Integralanteile erweitert worden.Notwithstanding the embodiment shown (see 3 ) can be the integral controller 55 omitted. In this case, however, can occur when disturbances in the injection system 15 a permanent control difference e occur that of the multi-variable controller 43 not completely balanced, that is to say regulated to the value e = 0. In order to achieve a reliable compensation of the control difference e, in the embodiment shown, in addition to the proportional controller 59 the integral controller 55 provided with a gain matrix KI. That is, the controlled system has been artificially expanded by integral parts.

Die in 3 dargestellte Anordnung 73 zur Vermeidung des Reset-Windup (ARW-Anordnung) wirkt störenden Auswirkungen entgegen, die dadurch entstehen, dass ein Integralanteil uI der Stellgröße betragsmäßig immer weiter ansteigt, solange sich mindestens einer der Aktoren 29, 31 an einer Grenze seines Stellbereichs befindet. Der Begrenzer 67 ist so ausgelegt, dass er zum Begrenzen der vom dritten Addierer 65 ausgegebenen Größe uC, ARW eingreift, solange sich mindestens einer der Aktoren 29, 31 zumindest in der Nähe der Grenze seines Stellbereichs befindet. Greift der Begrenzer 67 ein, dann unterscheiden sich seine Eingangsgrößen von seinen Ausgangsgrößen, was zu von Null verschiedenen Ausgangsgrößen vARW des dritten Subtrahierers 69 führt. Hierdurch wird die Kompensationseinrichtung 71 aktiviert und greift in den Signalpfad zwischen dem Integralregler 55 und dem Begrenzer 67 ein, indem er sein Ausgangssignal uARW mittels des zweiten Addierers 61 dem Ausgangssignal uI des Integralreglers 55 überlagert. Insgesamt bewirkt die ARW-Einrichtung 73 eine Verbesserung der Dynamik und der Stabilität sowie eine Reduzierung der Schwingungsneigung des Mehrgrößenreglers 43. Das Verhalten der Kompensationseinrichtung 71 lässt sich mittels der folgenden Gleichungen beschreiben: Systemgleichung: xC(k + 1) = ACxC(k) + BCvARW(k) Ausgangsgleichung: uARW(k) = CCxC(k) + DCvARW(k) Anfangszustandsgrößenvektor; xC(0) = xC.0 In the 3 illustrated arrangement 73 To avoid the reset windup (ARW arrangement) counteracts disturbing effects that arise from the fact that an integral component u I of the manipulated variable in terms of amount continues to increase, as long as at least one of the actuators 29 . 31 located at a boundary of its parking area. The limiter 67 is designed to limit the third adder 65 output size u C , ARW intervenes, as long as at least one of the actuators 29 . 31 at least near the border of its parking area. Accesses the limiter 67 a, then its inputs differ from its output, resulting in non-zero outputs v ARW of the third subtractor 69 leads. As a result, the compensation device 71 activates and accesses the signal path between the integral controller 55 and the limiter 67 by sending its output signal u ARW by means of the second adder 61 the output signal u I of the integral controller 55 superimposed. Overall, the ARW facility does 73 an improvement of the dynamics and the stability as well as a reduction of the vibration tendency of the multivariable controller 43 , The behavior of the compensation device 71 can be described by means of the following equations: System equation: x C (k + 1) = A C x C (k) + B C v ARW (K) Starting equation: u ARW (k) = C C x C (k) + D C v ARW (K) Size initial state vector; x C (0) = x C.0

Hierbei handelt es sich bei der Matrix AC um eine Systemmatrix der Kompensationseinrichtung 71, bei der Matrix BC um eine Eingangsmatrix der Kompensationseinrichtung 71, bei der Matrix CC um eine Ausgangsmatrix der Kompensationseinrichtung 71 und bei der Matrix DC um eine Durchgangsmatrix der Kompensationseinrichtung 71. Der Wert xC,0 entspricht den Anfangszuständen der Kompensationseinrichtung 71. Wie aus 4 ersichtlich ist, werden die Multiplikationen der einzelnen in der Kompensationseinrichtung 71 auftretenden Größen mit den Matrizen Ac, BC, CD beziehungsweise DC mit den Skalierelementen 87, 77, 85 beziehungsweise 79 durchgeführt.Here, the matrix A C is a system matrix of the compensation device 71 , at the matrix B C around an input matrix of the compensation device 71 , at the matrix C C around an output matrix of the compensation device 71 and at the matrix D C , a passing matrix of the compensation means 71 , The value x C, 0 corresponds to the initial states of the compensation device 71 , How out 4 can be seen, the multiplications of the individual in the compensation device 71 occurring variables with the matrices A c , B C , C D and D C with the scaling elements 87 . 77 . 85 respectively 79 carried out.

Das Kennfeldelement 75 des Mehrgrößenreglers 43 nimmt eine nicht lineare Transformation der vom Begrenzer 67 ausgegebenen Größen vor, um einen nicht linearen Zusammenhang zwischen den resultierenden Stellgrößen u, das heißt den beiden Ansteuerströmen iMeUn sowie iPCV und den mittels dieser Ansteuerströme einzustellenden Größen, nämlich die Durchflussrate QMeUn und die Rückflussrate QPCV auszugleichen. Hierzu sind in dem Kennfeldelement 75 Inversen dieser nicht linearen Zusammenhänge abgelegt. Diese statischen nicht linearen Zusammenhänge können beispielsweise durch ein Polynom m-ten Grades dargestellt werden. 6 zeigt beispielsweise den statischen linearen Zusammenhang zwischen der Durchflussrate QMeUn durch die Kraftstoffhochdruckpumpe 23 und dem Ansteuerstrom iMeUn zum Ansteuern der Zumesseinheit 31. In der Darstellung von 6 ist dieser nicht lineare Zusammenhang durch ein Polynom 7. Grades angenähert. In entsprechender Weise kann im Kennfeldelement 75 auch ein nicht linearer Zusammenhang zwischen der Rückflussrate QPCV durch das Druckregelventil 29 und dem Ansteuerstrom iPCV des Druckregelventils 29 beispielsweise in Form eines Polynoms abgelegt werden.The map element 75 of the multivariable controller 43 takes a non-linear transformation of the delimiter 67 in order to compensate for a non-linear relationship between the resulting manipulated variables u, that is to say the two control currents i MeUn and i PCV and the variables to be set by means of these drive currents , namely the flow rate Q MeUn and the reflux rate Q PCV . These are in the map element 75 Inverses of these non-linear relationships filed. These static non-linear relationships can be represented, for example, by an m-th degree polynomial. 6 shows, for example, the static linear relationship between the flow rate Q MeUn through the high-pressure fuel pump 23 and the drive current i MeUn for driving the metering unit 31 , In the presentation of 6 is this nonlinear relationship through a polynomial 7 , Grades approximated. In a corresponding manner can in the map element 75 also a non-linear relationship between the return flow rate Q PCV through the pressure regulating valve 29 and the drive current i PCV of the pressure control valve 29 be stored for example in the form of a polynomial.

In Abhängigkeiten von Eigenschaften der Zumesseinheit 31 bzw. des Druckregelventils 29 kann die Durchflussrate QMeUn bzw. die Rückflussrate QPCV auch von dem Raildruck pRail abhängig sein. Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren auch in einem solchen Fall anwendbar ist, kann vorgesehen werden, dass diese Druckabhängigkeit beim Ermitteln der Durchflussrate QMeUn bzw. der Rückflussrate QPCV berücksichtigt wird. Hierfür kann im Kennfeldelement 75 ein geeignetes mathematisches Modell abgelegt werden. Da die Druckabhängigkeit ab einem bestimmten Raildruck pRail oftmals linear ist, kann die Druckabhängigkeit unter Verwendung eines linearen Modells berücksichtigt werden.Depending on the properties of the metering unit 31 or the pressure control valve 29 For example, the flow rate Q MeUn or the return flow rate Q PCV can also be dependent on the rail pressure p Rail . Although the method according to the invention can also be used in such a case, it can be provided that this pressure dependence is taken into account when determining the flow rate Q MeUn or the return flow rate Q PCV . For this purpose, in the map element 75 a suitable mathematical model will be filed. Since the pressure dependence is often linear from a certain rail pressure p Rail , the pressure dependence can be taken into account using a linear model.

Der Beobachter 47 berechnet in Abhängigkeit von dem Regelgrößenvektor y und den resultierenden Stellgrößen (Vektor u) geschätzte Zustandsgrößen (Vektor x ^). Der Beobachter 47 kann also Zustandsgrößen x schätzen, welche nicht unmittelbar mittels eines Sensors erfasst werden können. Der Beobachter 47 kann als Kalman-Filter, als Unscented-Kalman-Filter oder als Luenberger-Beobachter ausgebildet sein. In der gezeigten Ausführungsform ist der Beobachter 47 als ein Luenberger-Beobachter ausgebildet, dessen Verhalten mit den folgenden Gleichungen beschrieben werden kann: Zustandsgleichung: x ^(k + 1) = Ax ^(k) + Bu(k) – L[y ^(k) – y(k)] Messgleichung: y ^(k) = Cx ^(k) + Du(k) Anfangszustandsgrößenvektor x ^(0) = x ^0 The Observer 47 calculates estimated state variables (vector x ^) as a function of the control variable vector y and the resulting manipulated variables (vector u). The Observer 47 can therefore estimate state variables x, which can not be detected directly by means of a sensor. The Observer 47 may be designed as a Kalman filter, as an unscented Kalman filter or as a Luenberger observer. In the ge showed embodiment is the observer 47 trained as a Luenberger observer whose behavior can be described with the following equations: Equation of state: x ^ (k + 1) = Ax ^ (k) + Bu (k) - L [y ^ (k) - y (k)] Measuring equation: y ^ (k) = Cx ^ (k) + Du (k) Initial state quantity vector x ^ (0) = x ^ 0

Hierbei umfasst der Vektor y ^ geschätzte Regelgrößen (in 2 nicht dargestellt). Die Matrizen A, B, C und D entsprechen den oben bereits erläuterten Matrizen zum Beschreiben des Verhaltens des Einspritzsystems 15.Here, the vector y ^ comprises estimated controlled variables (in 2 not shown). The matrices A, B, C and D correspond to the matrices already explained above for describing the behavior of the injection system 15 ,

Ferner erzeugt die Vorsteuereinrichtung 45 den Stellgrößenanteil uM, der mittels des ersten Addierers 51 zu den Stellgrößen uC addiert wird, wobei die resultierende Stellgrößen u das Ergebnis dieser Addition sind, d. h. den Stellgrößen uC werden die Stellgrößenanteile UM überlagert. Die Vorsteuereinrichtung 45 weist ein inverses dynamisches Modell der Regelstrecke, das heißt des Einspritzsystems 15, auf. Geeignete Verfahren zur Bereitstellung dieses inversen Modells sind Differential-flatness, Integrator-backstepping, Feedback-linearization. Zusätzlich zur Vorsteuerung trägt die Vorsteuereinrichtung 45 zu einer weiteren Linearisierung der Regelstrecke 15 bei.Furthermore, the pilot control device generates 45 the manipulated variable component u M , by means of the first adder 51 is added to the manipulated variables u C , wherein the resulting manipulated variables u are the result of this addition, ie the manipulated variables U C are superimposed on the manipulated variable components U M. The pilot control device 45 has an inverse dynamic model of the controlled system, that is the injection system 15 , on. Suitable methods for providing this inverse model are differential-flatness, integrator-backstepping, feedback-linearization. In addition to the precontrol carries the pilot control device 45 to a further linearization of the controlled system 15 at.

Obwohl es prinzipiell denkbar ist, das inverse Modell durch zumindest annähernd explizites Invertieren des Modells der Regelstrecke, das heißt des Einspritzsystems 15 bereitzustellen, ist in der gezeigten Ausführungsform vorgesehen, dass die Invertierung implizit durch Regeln einer innerhalb der Vorsteuereinrichtung 45 in Form einer Simulation nachgebildeten Regelstrecke 15 vorgenommen wird. Hierbei regelt ein Führungsregler der Vorsteuereinrichtung 45 ein simuliertes Modell der Regelstrecke 15 unter Rückführung von Ausgangsgrößen des Modells der Regelstrecke 15. Dabei erzeugt der Führungsregler Stellgrößen, die gleichzeitig als die Stellgrößenanteile uM auf die zu regelnde Strecke aufgeschaltet werden.Although it is conceivable in principle, the inverse model by at least approximately explicit inverting the model of the controlled system, that is, the injection system 15 in the embodiment shown it is provided that the inversion implicitly by controlling one within the pilot control device 45 in the form of a simulation simulated controlled system 15 is made. Here, a master controller regulates the pilot control device 45 a simulated model of the controlled system 15 with feedback of output variables of the model of the controlled system 15 , In this case, the master controller generates manipulated variables which are simultaneously applied as the manipulated variable components u M to the route to be controlled.

In der gezeigten Ausführungsform wird das Verfahren der so genannten Proper-Inversion angewendet. Hierbei ist die zu invertierende Repräsentation der Regelstrecke 15 in den Rückführzweig des Führungsreglers, der beispielsweise eine Proportionalverstärkung gemäß einer Verstärkungsmatrix KA aufweist, eingeschleift. Eine Eingangsgröße der zu invertierenden Darstellung der Regelstrecke 15 wird dabei als Ausgangsgröße des gewünschten inversen Modells der Regelstrecke aufgefasst. Das mittels der Proper-Inversion generierte inverse Modell der Regelstrecke 15 hat folgende Form: Systemgleichung: x*(k + 1) = ⌊A – B(I + KAD)–1KAC⌋x*(k) + B(I + KAD)–1KAu*(k) Ausgangsgleichung: y*(k) = ⌊–(I + KAD)–1KAC⌋x*(k) + ⌊(I + KAD)–1KA⌋u*(k) Anfangszustandsgrößenvektor: x*(0) = x*0 In the embodiment shown, the method of so-called proper inversion is used. Here, the representation of the controlled system to be inverted is 15 in the return branch of the guide controller, which has, for example, a proportional gain according to a gain matrix K A , looped. An input variable of the representation of the controlled system to be inverted 15 is understood as the output of the desired inverse model of the controlled system. The inverse model of the controlled system generated by means of the Proper Inversion 15 has the following form: System equation: x * (k + 1) = ⌊A - B (I + K A D) -1 K A C⌋x * (k) + B (I + K A D) -1 K A u * (k) Starting equation: y * (k) = ⌊- (I + K A D) -1 K A C⌋x * (k) + ⌊ (I + K A D) -1 K A ⌋U * (k) Initial state size vector: x * (0) = x * 0

Hierbei entspricht der Vektor x* einem Zustandsvektor für das inverse Systemmodell, der Vektor u* umfasst Eingangsgrößen des inversen Systemmodells und der Vektor x0* beinhaltet Anfangszustände des inversen Systemmodells.Here, the vector x * corresponds to a state vector for the inverse system model, the vector u * comprises input variables of the inverse system model and the vector x 0 * includes initial states of the inverse system model.

Die Rechenmittel 49, deren Aufbau in 5 genauer dargestellt ist, erzeugen in Abhängigkeit von dem Sollwertvektor r die Führungsgrößen yM sowie die berechten Zustandsgrößen xM. Hierbei filtern die Rechenmittel 49 die Sollwerte r. Hierdurch wird erreicht, dass beispielsweise Sprünge der Sollgrößen sich nicht störend auf das Regelverhalten der Regeleinrichtung 35 auswirken. Aus unstetigen Verläufen der Sollgrößen r werden also geglättete Verläufe der Führungsgrößen yM beziehungsweise der berechneten Zustandsgrößen xM berechnet. Außerdem wird durch die Rechenmittel 49 ein möglichst über- und unterschwingungsfreies Führungsverhalten der Regeleinrichtung 35 erreicht. Das Verhalten der Rechenmittel 49 kann durch die folgenden Gleichungen beschrieben werden: Systemgleichung: xM(k + 1) = AMxM(k) + BMr(r) Ausgangsgleichung: yM(k) = CMxM(k) Anfangszustandsgrößenvektor: xM(0) = xM,0 The calculating means 49 whose construction is in 5 is shown in more detail, generate in dependence on the setpoint vector r, the reference variables y M and the ready state variables x M. Hereby the computing means filter 49 the setpoints r. This ensures that, for example, jumps in the setpoints are not disturbing to the control behavior of the control device 35 impact. Smooth progressions of the reference variables y M or of the calculated state variables x M are thus calculated from unsteady courses of the desired values r. In addition, by the computing means 49 a possible over- and undershoot leadership behavior of the control device 35 reached. The behavior of the calculating means 49 can be described by the following equations: System equation: x M (k + 1) = A M x M (k) + B M r (r) Starting equation: y M (k) = C M x M (K) Initial state size vector: x M (0) = x M, 0

Hierbei steht AM für eine Systemmatrix eines Führungsgrößenmodells, BM für eine Eingangsmatrix des Führungsgrößenmodells und CM für eine Ausgangsmatrix des Führungsgrößenmodells. Wie aus der Darstellung von 5 ersichtlich werden Multiplikationen der einzelnen dort dargestellten Größen mit den Matrizen AM, BM beziehungsweise CM jeweils mittels den Skalierelementen 97, 91 beziehungsweise 99 durchgeführt.Here, A M stands for a system matrix of a reference variable model, B M for an input matrix of the reference variable model and C M for an output matrix of the reference variable model. As from the presentation of 5 It can be seen multiplications of the individual variables shown there with the matrices A M , B M and C M respectively by means of the scaling elements 97 . 91 respectively 99 carried out.

Insgesamt wird erfindungsgemäß eine gekoppelte Regelung des Raildrucks pRail bereitgestellt, die die aufeinander abgestimmte Ansteuerung des Druckregelventils 29 und der Zumesseinheit 31 durch den Mehrgrößenregler 43 ermöglicht. Durch die kombinierte Ansteuerung der beiden Stellglieder 29, 31 werden deren Stellbereiche zumindest weitgehend ausgenutzt.Overall, a coupled control of the rail pressure p Rail is provided according to the invention, which provides the coordinated control of the pressure control valve 29 and the metering unit 31 through the multi-variable controller 43 allows. Through the combined control of the two actuators 29 . 31 their parking areas are at least largely utilized.

Außer dem Raildruck pRail wird als weitere Regelgröße die Rückflussrate QPCV durch das Druckregelventil 29 herangezogen. Die Rückflussrate QPCV wird nicht direkt gemessen und ist somit streng genommen keine Regelgröße im eigentlichen Sinn. Dennoch wird die Rückflussrate QPCV beim Entwurf des Mehrgrößenreglers 43 als eine Regelgröße behandelt. Beim Betrieb wirkt sie vielmehr als eine Vorsteuerung der Regelparameter in Abhängigkeit von dem Betriebszustand. Die Rückflussrate kann über eine in der Regeleinrichtung 35 abgelegte Kennlinie des Druckregelventils 29 aus dem mittels des Drucksensors 37 gemessenen Raildruck pRail ermittelt werden. Über die Vorgabe eines Sollwerts für die Rückflussrate QPCV gelingt eine betriebszustandsunabhängige Einflussnahme auf das System, ohne dass eine Veränderung einzelner Parameter der Regeleinrichtung 35 erforderlich ist. Insbesondere kann ein explizites Umschalten oder ein Überblenden zwischen den drei Regelstrategien vermieden werden.Apart from the rail pressure p Rail , the return flow rate Q PCV through the pressure regulating valve becomes a further controlled variable 29 used. The return flow rate Q PCV is not measured directly and is thus strictly speaking not a controlled variable in the strict sense. Nevertheless, the reflow rate becomes Q PCV when designing the multivariable controller 43 treated as a rule size. During operation, it rather acts as a feedforward control of the control parameters as a function of the operating state. The reflux rate can be via one in the control device 35 stored characteristic of the pressure control valve 29 from the means of the pressure sensor 37 measured rail pressure p Rail can be determined. By specifying a reference value for the reflow rate Q PCV, it is possible to influence the system independently of operating state, without a change in individual parameters of the control device 35 is required. In particular, an explicit switching or crossfading between the three control strategies can be avoided.

Der geschlossene Regelkreis lässt sich unter Verwendung der Operatoren sat (·) für die vom Begrenzer 67 vorgenommene Begrenzung (auch als Sättigungs-Operation bezeichnet) und des Operators NL–1 (·) für die nicht lineare Transformation, die vom Kennfeldelement 75 vorgenommen wird, folgendermaßen beschreiben: x(k + 1) = Ax(k) + Bu(k) u(k) = NL–1(sat(uP(k) + {uI(k) + uARW(k)}Tz – 1 )) + uM(k) x ^(k + 1) = Ax ^(k) + B(k)u(k) + L(y(k) + Cx ^(k|k – 1)). The closed loop can be closed by using the sat (·) operators for the limiter 67 boundary (also referred to as the saturation operation) and the NL -1 (·) operator for the nonlinear transformation generated by the map element 75 is described as follows: x (k + 1) = Ax (k) + Bu (k) u (k) = NL -1 (Sat (u P (k) + {u I (k) + u ARW (K)} T z - 1 )) + u M (K) x ^ (k + 1) = Ax ^ (k) + B (k) u (k) + L (y (k) + Cx ^ (k | k-1)).

Hierbei steht der Ausdruck x ^(k|k – 1) für eine Prädiktion (a priori Schätzung) des Wertes x ^(k) basierend insbesondere auf dem vorherigen Wert zum diskreten Zeitpunkt k – 1.in this connection the expression x ^ (k | k - 1) stands for a prediction (a priori estimation) of the value x ^ (k) based in particular on the previous value at the discrete time k - 1.

In 7 ist das zeitliche Regelverhalten der Brennkraftmaschine 11 bei sprungförmigen Änderungen eines Sollwerts des Raildrucks pRail dargestellt. Hierbei zeigt ein erstes Diagramm 101 den Verlauf des Sollwerts des Raildrucks prail. Man erkennt, dass der Sollwert (dargestellt als durchgezogene Linie 103) zu Beginn bei 400 bar liegt zum Zeitpunkt von t1 = 20 s auf 1.200 bar springt und schließlich zum Zeitpunkt t2 = 60 s wieder sprungartig zum ursprünglichen Wert von 400 bar zurückkehrt. Der gestrichelt dargestellte Verlauf (Linie 105) des tatsächlichen Raildrucks pRail folgt dem Sollwert 103 weitgehend. Das heißt, das erfindungsgemäße Verfahren weist ein gutes Führungsverhalten auf und verursacht allenfalls geringe Überschwingung oder Unterschwingung des Raildrucks pRail. Die sprungartige Änderung des Sollwerts 103 ist Folge von Lastsprüngen der Brennkraftmaschine 11. Dementsprechend ergibt sich auch eine sprungartige Änderung des Kraftstoffverbrauchs. Wie aus einem zweiten Diagramm 107 ersichtlich ist, steigt eine Einspritzrate (Linie 109) zum Zeitpunkt t1 sprungartig von etwa 2,5 cm3/s (entspricht einer Kraftstoffmenge von etwa 10 mg) auf einen Wert von etwas über 16 cm3/s (entspricht einer Kraftstoffmenge von etwa 100 mg), um zum Zeitpunkt t2 wieder auf den ursprünglichen Wert zurückzukehren. Dementsprechend ist im Zeitraum zwischen t1 und t2 eine Bestromungszeit von Aktoren der Einspritzventile 17 auf einen Wert von über 1,8 ms erhöht, wohingegen die Bestromungszeit außerhalb dieses Zeitintervalls lediglich bei etwas mehr als 0,6 ms liegt (siehe drittes Diagramm 111, in welchem die Bestromungszeit als Linie 113 dargestellt ist).In 7 is the temporal control behavior of the internal combustion engine 11 shown in the case of sudden changes in a nominal value of the rail pressure pRail. Here is a first diagram 101 the profile of the setpoint of the rail pressure prail. It can be seen that the setpoint (shown as a solid line 103 ) at the beginning at 400 bar is at the time of t 1 = 20 s jumps to 1200 bar and finally at time t 2 = 60 s jumps back to the original value of 400 bar. The dashed line (line 105 ) of the actual rail pressure p Rail follows the setpoint 103 largely. That is, the method according to the invention has a good leadership behavior and causes at most slight overshoot or undershoot the rail pressure p Rail . The sudden change of the setpoint 103 is a consequence of load jumps of the internal combustion engine 11 , Accordingly, there is also a sudden change in fuel consumption. As from a second diagram 107 can be seen, an injection rate increases (line 109 ) At time t 1 abruptly from about 2.5 cm 3 / s (equivalent to a fuel quantity of about 10 mg) to a value of about 16 cm 3 / s (equivalent to a fuel quantity of about 100 mg) to the time t 2 to return to the original value. Accordingly, in the period between t 1 and t 2 is a Bestromungszeit of actuators of the injectors 17 increased to a value of over 1.8 ms, whereas the outside of this time interval is only slightly more than 0.6 ms (see the third diagram 111 , in which the current time as a line 113 is shown).

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (10)

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (11), bei dem ein Kraftstoffdruck (pRail) von in einem Kraftstoffhochdruckspeicher (19) eines Common-Rail-Einspritzsystems (15) der Brennkraftmaschine (11) befindlichem Kraftstoff (21) geregelt wird, indem mindestens eine Regelgröße (pRail) erfasst wird und in Abhängigkeit von der Regelgröße (pRail) mindestens eine Stellgröße (iMeUn, iPCV) zum Einstellen mindestens eines Aktors (31, 29) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Sinne einer Mehrgrößenregelung (43) mehrere Zustandsgrößen (pRail, QPCV, pRail,l, QMeUn) eines einzigen Zustandsraums (X) gebildet werden und die Stellgröße (iMeUn, iPCV) in Abhängigkeit von den Zustandsgrößen (pRail, QPCV, pRail,l, QMeUn) ermittelt wird.Method for operating an internal combustion engine ( 11 ), in which a fuel pressure (p rail ) of in a high-pressure fuel storage ( 19 ) of a common rail injection system ( 15 ) of the internal combustion engine ( 11 ) fuel ( 21 ) is controlled by at least one controlled variable (p rail ) is detected and depending on the control variable (p rail ) at least one manipulated variable (i MeUn , i PCV ) for adjusting at least one actuator ( 31 . 29 ) is determined, characterized in that in the sense of a multi-variable control ( 43 ) a plurality of state variables (p Rail , Q PCV , P Rail, I , Q MeUn ) of a single state space (X) are formed and the manipulated variable (i MeUn , i PCV ) in dependence on the state variables (p Rail , Q PCV , p Rail , l , Q MeUn ). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Zustandsgröße (pRail) einer Regelgröße (pRail) entspricht.A method according to claim 1, characterized in that at least one state variable (p Rail) corresponds to a controlled variable (p Rail). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Zustandsgröße (xM) in Abhängigkeit von mindestens einer Sollgröße (r) berechnet (49) wird.Method according to Claim 1 or 2, characterized in that at least one state variable (x M ) is calculated as a function of at least one setpoint variable (r) ( 49 ) becomes. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Zustandsgröße (x ^) mittels eines Beobachterelements (47) anhand der erfassten Regelgröße (pRail) und/oder der Stellgröße (iMeUn, iPCV) geschätzt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that at least one state variable (x ^) by means of an observer element ( 47 ) is estimated on the basis of the detected control variable (p rail ) and / or the manipulated variable (i MeUn , i PCV ). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffdruck (pRail), eine Durchflussrate (QMeUn) des Kraftstoffs (21) durch eine Zumesseinheit (31) einer Kraftstoffhochdruckpumpe (23) des Einspritzsystems (15) und/oder eine Rückflussrate (QPCV) des Kraftstoffs (21) von dem Kraftstoffhochdruckspeicher (19) durch ein zwischen dem Hochdruckspeicher (19) und einem Niederdruckbereich (41) des Einspritzsystems (15) angeordnetes Druckregelventil (29) des Einspitzsystems (15) eine Zustandsgröße (x) bildet.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel pressure (p Rail ), a flow rate (Q MeUn ) of the fuel ( 21 ) by a metering unit ( 31 ) of a high-pressure fuel pump ( 23 ) of the injection system ( 15 ) and / or a reflow rate (Q PCV ) of the fuel ( 21 ) from the high-pressure fuel storage ( 19 ) by a between the high-pressure accumulator ( 19 ) and a low pressure area ( 41 ) of the injection system ( 15 ) arranged pressure control valve ( 29 ) of the one-pointed system ( 15 ) forms a state variable (x). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Stellgröße (u, uC) eine erste Stellgröße (iMeUn) zum Einstellen eines Öffnungsgrads der Zumesseinheit (31) und/oder eine zweite Stellgröße (iPCV) zum Einstellen eines Öffnungsgrads des Druckregelventils (29) ermittelt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that as the manipulated variable (u, u C) a first correcting variable (i MEUN) for adjusting an opening degree of the metering unit ( 31 ) and / or a second manipulated variable (i PCV ) for setting an opening degree of the pressure regulating valve ( 29 ) is determined. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Führungsgröße (yM) vorgegeben wird, in Abhängigkeit von der Führungsgröße (yM) mindestens ein Vorsteuerwert (uM) ermittelt wird und der Vorsteuerwert (uM) der Stellgröße (uC) zum Vorsteuern additiv überlagert wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that at least one reference variable (y M ) is predetermined, depending on the reference variable (y M ) at least one precontrol value (u M ) is determined and the pilot value (u M ) of the manipulated variable (u C ) is added to the pilot control additive. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgröße (u, uC) mit Hilfe einer nichtlinearen Kennlinie (75) zur Kompensation eines nichtlinearen Zusammenhangs zwischen der Stellgröße (u, uC) und einer von dem Aktor (31, 29) beeinflussten physikalischen Größe (pRail, QPCV, pRail,l, QMeUn) korrigiert wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the manipulated variable (u, u C ) by means of a non-linear characteristic ( 75 ) for compensating a non-linear relationship between the manipulated variable (u, u C ) and one of the actuator ( 31 . 29 ) is influenced by the physical variable (p Rail , Q PCV , P Rail, I , Q MeUn ). Regeleinrichtung (35) für eine Brennkraftmaschine (11), zum Regeln eines Kraftstoffdrucks (pRail) von in einem Kraftstoffhochdruckspeicher (19) eines Common-Rail-Einspritzsystems (15) der Brennkraftmaschine (11) befindlichem Kraftstoff (21), wobei die Regeleinrichtung (35) ein Regelelement (43) aufweist, das zum Erfassen mindestens einer Regelgröße (pRail) und zum Ermitteln mindestens einer Stellgröße (iMeUn, iPCV) in Abhängigkeit von der Regelgröße (pRail) zum Einstellen mindestens eines Aktors (31, 29) eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelelement als ein Mehrgrößenregler (43) derart ausgebildet ist, dass es mehrere Zustandsgrößen (pRail, QPCV, pRail,l, QMeUn) eines einzigen Zustandsraums (X) bilden und die Stellgrößen (iMeUn, iPCV) in Abhängigkeit von den Zustandsgrößen (pRail, QPCV, pRail,l, QMeUn) ermitteln kann.Control device ( 35 ) for an internal combustion engine ( 11 ), for controlling a fuel pressure (p rail ) in a high-pressure fuel storage ( 19 ) of a common rail injection system ( 15 ) of the internal combustion engine ( 11 ) fuel ( 21 ), the control device ( 35 ) a rule element ( 43 ) for detecting at least one controlled variable (p rail ) and for determining at least one manipulated variable (i MeUn , i PCV ) as a function of the controlled variable (p rail ) for adjusting at least one actuator ( 31 . 29 ), characterized in that the control element is designed as a multi-variable controller ( 43 ) is formed in such a way that it forms a plurality of state variables (p rail , Q PCV , p rail, l , Q MeUn ) of a single state space (X) and the manipulated variables (i MeUn , i PCV ) as a function of the state variables (p rail , Q PCV , P Rail, I , Q MeUn ). Regeleinerichtung (35) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das die Regeleinrichtung (35) zum Ausführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 eingerichtet, vorzugsweise programmiert ist.Rule Setup ( 35 ) according to claim 8, characterized in that the control device ( 35 ) is arranged for carrying out a method according to one of claims 1 to 9, preferably programmed.
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