DE102021115095B3 - Process and drive control unit for functional testing of a water injection system - Google Patents

Process and drive control unit for functional testing of a water injection system Download PDF

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Abstract

Die Erfindung stellt ein Verfahren (10) zur Funktionsprüfung (11) eines Wassereinspritzsystems mit den folgenden Merkmalen bereit: Bei einer Aktivierung (14) des Wassereinspritzsystems werden Messsignale (15) am Verbrennungsmotor aufgenommen; anhand der Messsignale (15) wird eine Berechnung (16) des durch das Wassereinspritzsystem fließenden Wasservolumenstromes angestellt; und der berechnete Wasservolumenstrom wird mit einem Sollwert (18) verglichen.Die Erfindung stellt ferner ein entsprechendes Antriebssteuergerät, ein entsprechendes Computerprogramm sowie ein entsprechendes Speichermedium bereit.The invention provides a method (10) for functional testing (11) of a water injection system with the following features: when the water injection system is activated (14), measurement signals (15) are recorded at the internal combustion engine; a calculation (16) of the water volume flow flowing through the water injection system is made on the basis of the measurement signals (15); and the calculated water volume flow is compared to a target value (18). The invention also provides a corresponding drive control device, a corresponding computer program and a corresponding storage medium.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Funktionsprüfung eines Wassereinspritzsystems. Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus ein entsprechendes Antriebssteuergerät, ein entsprechendes Computerprogramm sowie ein entsprechendes Speichermedium.The present invention relates to a method for testing the function of a water injection system. The present invention also relates to a corresponding drive control device, a corresponding computer program and a corresponding storage medium.

Stand der TechnikState of the art

Ein an sich bekanntes Verfahren zur Senkung der Ansauglufttemperatur von Verbrennungskraftmaschinen stellt die Wassereinspritzung dar. Hierbei wird Wasser in den Brennraum eines Verbrennungsmotors gespritzt, um die dort herrschende Temperatur zu senken. Die hierzu je nach Betriebszustand des Motors erforderliche Wassermenge wird vom Motorsteuergerät berechnet und von einer Pumpe aus einem Wassertank in ein Rail-System mit Injektoren gefördert.A method known per se for lowering the intake air temperature of internal combustion engines is water injection. Here, water is injected into the combustion chamber of an internal combustion engine in order to lower the temperature prevailing there. The amount of water required for this, depending on the engine's operating status, is calculated by the engine control unit and pumped from a water tank into a rail system with injectors.

Bei einwandfreier Funktion des Wassereinspritzsystems entspricht die tatsächlich eingespritzte Wassermenge der wie oben berechneten Sollmenge. Die Funktion des Einspritzsystems mag jedoch zum Beispiel durch Verstopfung der Injektoren oder Verunreinigung des einzuspritzenden Mediums gestört sein. In diesem Fall weicht die reale Einspritzmenge von der Sollmenge ab. Derlei Abweichungen wiederum können zu Funktionsstörungen oder Schäden im Motor führen.If the water injection system is working correctly, the quantity of water actually injected corresponds to the target quantity calculated as above. However, the function of the injection system may be disrupted, for example by clogging of the injectors or contamination of the medium to be injected. In this case, the real injection quantity deviates from the target quantity. Such deviations, in turn, can lead to malfunctions or damage to the engine.

Als Maß für die Menge des tatsächlich eingespritzten Wassers dient der durch das System fließende Volumenstrom. Diese physikalische Größe erweist sich somit als wesentlich für jedwede Diagnose der Funktionstüchtigkeit der Wassereinspritzung.The volume flow flowing through the system serves as a measure of the amount of water actually injected. This physical variable is therefore essential for any diagnosis of the correct functioning of the water injection.

DE 10 2015 220 721 B4 offenbart ein solches Verfahren und eine Vorrichtung zur Diagnose der Wassereinspritzung in den Brennraum eines Verbrennungsmotors. Gemäß dieser Patentschrift werden Klopfsensoren zur Bestimmung der Klopfneigung des Verbrennungsmotors herangezogen, um von dieser wiederum auf die Funktionstüchtigkeit der Wassereinspritzung zu schließen. DE 10 2015 220 721 B4 discloses such a method and apparatus for diagnosing water injection into the combustion chamber of an internal combustion engine. According to this patent, knock sensors are used to determine the tendency of the internal combustion engine to knock, in order to use this to infer the functionality of the water injection.

DE 10 2014 222 474 A1 lehrt die Anpassung der Fluidmenge des Systems zur Zusatzeinspritzung eines Verbrennungsmotors an das Signal von dessen Klopfregelung, welches die Klopfstärke in den Zylindern anzeigt. Ebenso wie in US 6 112 705 A wird anhand weiterer Motorgrößen lediglich die Soll-Wassereinspritzmenge, nicht aber die tatsächlich eingespritzte Wassermenge bestimmt. DE 10 2014 222 474 A1 teaches the adjustment of the amount of fluid in the booster injection system of an internal combustion engine to the signal from its knock control system, which indicates the degree of knocking in the cylinders. as well as in U.S. 6,112,705 A only the target water injection quantity is determined on the basis of other engine variables, but not the actually injected water quantity.

In DE 10 2017 122 895 A1 werden ein Verfahren und System zur Steuerung der Wassereinspritzung vorgestellt, in deren Rahmen die Wassernutzung im Motor priorisiert wird. Indes wird auch hier nicht die real eingespritzte Wassermenge berechnet.In DE 10 2017 122 895 A1 a method and system for controlling water injection is presented, in which the use of water in the engine is prioritized. However, the actually injected water quantity is not calculated here either.

DE 10 2017 120 552 A1 und DE 10 2016 219 864 A1 beschreiben Wassereinspritzsysteme für Brennkraftmaschinen, mit denen Wasser in den Brennraum des Verbrennungsmotors gespritzt wird, um eine Klopfneigung zu reduzieren bzw. den Zylinder zu kühlen. DE 10 2017 120 552 A1 and DE 10 2016 219 864 A1 describe water injection systems for internal combustion engines, with which water is injected into the combustion chamber of the internal combustion engine in order to reduce the tendency to knock or to cool the cylinder.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Funktionsprüfung eines Wassereinspritzsystems, ein entsprechendes Antriebssteuergerät, ein entsprechendes Computerprogramm sowie ein entsprechendes Speichermedium gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereit. Sie eröffnet somit eine Möglichkeit zur Bestimmung des realen Wasservolumenstroms und zu dessen Einbettung in ein Diagnosekonzept zur Identifikation von nicht funktionstüchtigen Zuständen des Wassereinspritzsystems.The invention provides a method for testing the function of a water injection system, a corresponding drive control device, a corresponding computer program and a corresponding storage medium according to the independent claims. It thus opens up the possibility of determining the real water volume flow and embedding it in a diagnostic concept for identifying non-functional states of the water injection system.

Ein Vorzug dieser Lösung liegt darin, dass der konkrete Wasservolumenstrom berechnet und aus der Differenz von Soll- und Istwert das etwaige Vorliegen eines Funktionsfehlers sowie gegebenenfalls dessen Schwere abgeleitet werden kann.An advantage of this solution is that the specific water volume flow can be calculated and the possible presence of a functional error and its severity can be derived from the difference between the setpoint and actual value.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. So kann die Berechnung anhand einer ganzrationalen oder polynomiellen Modellfunktion oder eines neuronalen Netzes erfolgen, welches am Verbrennungsmotor aufgenommene Messsignale auf den Wasservolumenstrom abbildet.Further advantageous refinements of the invention are specified in the dependent patent claims. The calculation can be carried out using a fully rational or polynomial model function or a neural network, which maps measurement signals recorded on the combustion engine to the water volume flow.

Ein entscheidender Vorteil der in einer entsprechenden Ausführungsform verwendeten Modellfunktion besteht darin, dass sich mit ihrer Hilfe im Antriebssteuergerät eines Kraftfahrzeuges der tatsächliche Volumenstrom des in seinen Verbrennungsmotor eingespritzten Wassers in Echtzeit berechnet lässt, sodass dieser Istwert im Fahrbetrieb für Analyse und Diagnose zur Verfügung steht. Fehlfunktionen des Wassereinspritzsystems können somit zuverlässig detektiert werden.A decisive advantage of the model function used in a corresponding embodiment is that it can be used in the drive control unit of a motor vehicle to calculate the actual volume flow of the water injected into its combustion engine in real time, so that this actual value is available for analysis and diagnosis during driving. Malfunctions of the water injection system can thus be reliably detected.

Das beschriebene Verfahren wird beispielsweise als Softwarefunktion auf dem Steuergerät umgesetzt. Eine derartige Implementierung birgt den Vorteil, dass keine zusätzlichen Sensoren oder anderweitige Hardware für das Verfahren benötigt wird. Die besagte Umsetzung erweist sich somit als kostengünstig und platzsparend.The method described is implemented, for example, as a software function on the control unit. Such an implementation has the advantage that no additional sensors or other hardware is required for the method. Said implementation thus proves to be cost-effective and space-saving.

Figurenlistecharacter list

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.

  • 1 zeigt exemplarisch eine Versuchsanordnung zur Erzeugung von Trainingsdaten.
  • 2 zeigt zwei Zeitreihen eines gemessenen beziehungsweise berechneten Wasservolumenstromes.
  • 3 zeigt den Ablauf einer Diagnose anhand des Wasservolumenstromes.
An embodiment of the invention is shown in the drawings and is described in more detail below.
  • 1 shows an example of a test arrangement for generating training data.
  • 2 shows two time series of a measured or calculated water volume flow.
  • 3 shows the process of a diagnosis based on the water volume flow.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Modellfunktion zur Berechnung der in den Motor eingespritzten Wassermenge herangezogen. Die solchermaßen berechnete Ist-Wassermenge wird mit der entsprechenden Sollmenge verglichen. Überschreitet die Differenz zur Sollmenge einen gewissen Schwellwert, so indiziert dies eine Fehlfunktion (fachsprachlich: das Eintreten eines „Diagnosefalls“).In a preferred embodiment of the invention, a model function is used to calculate the amount of water injected into the engine. The actual water quantity calculated in this way is compared with the corresponding target quantity. If the difference to the target quantity exceeds a certain threshold value, this indicates a malfunction (technically: the occurrence of a "diagnostic case").

Die parametrische Modellfunktion wird auf der Grundlage vorverarbeiteter Trainingsdaten entwickelt, die im Rahmen unmittelbar am Wassereinspritzsystem vorgenommener Referenzmessungen des Volumenstromes sowie weiterer Motorsignale erhoben werden. Unter letzteren werden sodann im Zuge einer Merkmalsreduktion für die Berechnung besonders relevante Signale ausgewählt. Schließlich werden die Parameter der Modellfunktion optimiert.The parametric model function is developed on the basis of pre-processed training data, which are collected as part of reference measurements of the volume flow and other engine signals made directly on the water injection system. Signals that are particularly relevant for the calculation are then selected from among the latter in the course of feature reduction. Finally, the parameters of the model function are optimized.

Für die Erzeugung von Trainingsdaten ist es zielführend, dass die Referenzmessungen über repräsentative Drehzahlbereiche des Verbrennungsmotors vorgenommen und Diagnoseereignisse festgehalten werden, welche das Wassereinspritzsystem betreffen. Während der Messungen wird mittels eines Coriolis-Sensors oder anderweitiger externer Messtechnik fortwährend die Ist-Wassermenge neben weiteren Motorsignalen erfasst. 1 illustriert dieses Vorgehen.For the generation of training data, it is expedient that the reference measurements are taken over representative speed ranges of the combustion engine and that diagnostic events that affect the water injection system are recorded. During the measurements, the actual water quantity is continuously recorded along with other engine signals using a Coriolis sensor or other external measurement technology. 1 illustrates this approach.

Die gemessenen Signale repräsentieren in aller Regel verschiedene physikalische Größen mit unterschiedlichen Wertebereichen. Um sie dennoch einer statistischen Betrachtung zu erschließen, wird jedes Signal zunächst standardisiert oder normiert. Diese sogenannte z-Transformation liefert eine Auswahl von Zufallsvariablen, deren Erwartungswert jeweils null und Varianz jeweils eins beträgt.The measured signals usually represent different physical quantities with different value ranges. However, in order to be able to access them from a statistical perspective, each signal is first standardized. This so-called z-transformation provides a selection of random variables whose expected value is zero and variance is one.

Mit den derart vorverarbeiteten Trainingsdaten werden im nächsten Schritt durch eine Merkmalsreduktion gemäß dem Optimierungsalgorithmus die relevanten Eingangssignale für die Modellfunktion ausgewählt. Vorzugsweise bleibt die Anzahl betrachteter Eingangssignale hierbei auf einen vorgegebenen Wert beschränkt.With the training data pre-processed in this way, the relevant input signals for the model function are selected in the next step by feature reduction according to the optimization algorithm. The number of input signals considered here preferably remains limited to a predetermined value.

Schließlich werden im Falle einer polynomiellen Modellfunktion oder eines neuronalen Netzes Gewichtungsparameter der ausgewählten Eingangssignale berechnet. In 2 ist der der durch eine solche Funktion geschätzte Wasservolumenstrom (17) im Vergleich zur mittels eines Coriolis-Sensors vorgenommenen Referenzmessung (21) dargestellt: Wie die Abbildung erkennen lässt, stimmt der berechnete Wert (17) hier näherungsweise mit der Referenzmessung (21) überein.Finally, in the case of a polynomial model function or a neural network, weighting parameters of the selected input signals are calculated. In 2 shows the water volume flow (17) estimated by such a function in comparison to the reference measurement (21) made by means of a Coriolis sensor: As the figure shows, the calculated value (17) corresponds approximately to the reference measurement (21).

3 zeigt das auf diese Weise ermöglichte Verfahren (10) zur Funktionsprüfung (11) im Betrieb des Wassereinspritzsystems (12 - 1). Zu diesem Zweck wird bei Aktivierung (14) des Wassereinspritzsystems (12) der Ist-Wasservolumenstrom (17 - 2) und dessen Differenz zum Sollwert (18) berechnet (16). Überschreitet diese Differenz eine gewisse Schwelle, die vorgegeben werden kann, so wird dies als Fehlfunktion des Systems (12) erkannt. 3 shows the method (10) made possible in this way for functional testing (11) during operation of the water injection system (12 - 1 ). For this purpose, upon activation (14) of the water injection system (12), the actual water volume flow (17 - 2 ) and its difference to the setpoint (18) is calculated (16). If this difference exceeds a certain threshold that can be specified, this is recognized as a malfunction of the system (12).

Claims (10)

Verfahren (10) zur Funktionsprüfung (11) eines Wassereinspritzsystems (12) für einen Verbrennungsmotor (13), gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - bei einer Aktivierung (14) des Wassereinspritzsystems (12) werden Messsignale (15) am Verbrennungsmotor (13) aufgenommen, - anhand der Messsignale (15) wird eine Berechnung (16) des durch das Wassereinspritzsystem (12) fließenden Wasservolumenstromes (17) angestellt und - der berechnete Wasservolumenstrom (17) wird mit einem Sollwert (18) verglichen.Method (10) for functional testing (11) of a water injection system (12) for an internal combustion engine (13), characterized by the following features: - when the water injection system (12) is activated (14), measurement signals (15) are recorded on the internal combustion engine (13), - A calculation (16) of the water volume flow (17) flowing through the water injection system (12) is made on the basis of the measurement signals (15) and - the calculated water volume flow (17) is compared with a target value (18). Verfahren (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Berechnung (16) erfolgt anhand einer Modellfunktion (19) und - die Modellfunktion (19) bildet die Messsignale (15) auf den Wasservolumenstrom (17) ab.Method (10) according to claim 1 , characterized by the following features: - the calculation (16) is based on a model function (19) and - the model function (19) maps the measurement signals (15) to the water volume flow (17). Verfahren (10) nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Messsignale (15) werden vor dem Abbilden einer Standardisierung (20) unterzogen und - die Modellfunktion (19) ist ganzrational.Method (10) according to claim 2 , characterized by the following features: - the measurement signals (15) are subjected to a standardization (20) before imaging and - the model function (19) is completely rational. Verfahren (10) nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Modellfunktion (19) wird durch überwachtes Lernen anhand von Trainingsdaten optimiert und - das Lernen umfasst eine polynomiale Regression oder ein neuronales Netz.Method (10) according to claim 3 , characterized by the following features: - the model function (19) is optimized by supervised learning using training data and - the learning includes a polynomial regression or a neural network. Verfahren (10) nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Trainingsdaten werden durch unmittelbar am Wassereinspritzsystem (12) vorgenommene Referenzmessungen (21) des Wasservolumenstromes (17) erhoben und - die Referenzmessungen (21) werden über repräsentative Drehzahlbereiche (22) des Verbrennungsmotors (13) vorgenommen.Method (10) according to claim 4 , characterized by the following features: - the training data are collected by reference measurements (21) of the water volume flow (17) made directly on the water injection system (12) and - the reference measurements (21) are made over representative speed ranges (22) of the internal combustion engine (13). Verfahren (10) nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - das Wassereinspritzsystem (12) betreffende Diagnoseereignisse (23) werden festgehalten und - die Trainingsdaten umfassen die Diagnoseereignisse (23).Method (10) according to claim 5 , characterized by the following features: - the water injection system (12) related diagnostic events (23) are recorded and - the training data include the diagnostic events (23). Verfahren (10) nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - während der Referenzmessungen (21) werden mittels vom Wassereinspritzsystem (12) unabhängiger Messtechnik (24) ferner verschiedenartige Motorsignale erfasst (25) und - vor der Regression werden die der Berechnung (16) zugrunde zu legenden Messsignale (15) unter den erfassten Motorsignalen ausgewählt.Method (10) according to claim 5 or 6 , characterized by the following features: - during the reference measurements (21), various types of engine signals are also recorded (25) by means of measurement technology (24) that is independent of the water injection system (12) and - before the regression, the measurement signals (15 ) selected from the detected motor signals. Antriebssteuergerät zur Durchführung eines Verfahrens (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - das Antriebssteuergerät ist dazu eingerichtet, den Sollwert (18) für den Wasservolumenstrom (17) zu berechnen und das Wassereinspritzsystem (12) zu aktivieren, - das Antriebssteuergerät ist dazu eingerichtet, am Verbrennungsmotor (13) bei der Aktivierung (14) die Messsignale (15) aufzunehmen und - das Antriebssteuergerät ist dazu eingerichtet, anhand der Messsignale (15) die Berechnung (16) des tatsächlichen Wasservolumenstromes (17) durchzuführen.Drive control device for carrying out a method (10) according to one of Claims 1 until 7 , characterized by the following features: - the drive control unit is set up to calculate the target value (18) for the water volume flow (17) and to activate the water injection system (12), - the drive control unit is set up to act on the internal combustion engine (13) when it is activated (14) to record the measurement signals (15) and - the drive control unit is set up to carry out the calculation (16) of the actual water volume flow (17) on the basis of the measurement signals (15). Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, alle Schritte eines Verfahrens (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen.Computer program which is set up to carry out all the steps of a method (10) according to one of Claims 1 until 7 to perform. Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 9.Machine-readable storage medium with a computer program stored on it claim 9 .
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