DE112015006499T5

DE112015006499T5 - Adaptive steuerung von zyklus zu zyklus mit geschlossener regelung zur einspritzratenformung

Info

Publication number: DE112015006499T5
Application number: DE112015006499.0T
Authority: DE
Inventors: Syed Shah Jalel
Original assignee: Cummins Inc
Current assignee: Cummins Inc
Priority date: 2015-04-28
Filing date: 2015-04-28
Publication date: 2018-04-26
Also published as: US20180142638A1; WO2016175757A1; US10066563B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt ein System zur Einstellung eines Kraftstoffinjektor-Ansteuerungssignal während eines Kraftstoffeinspritzvorgangs bereit, wobei das System einen Motor mit einem Einspritzinjektor, einem Kraftstoff-Steuerungsmodul zur Erzeugung von Steuerungssignalen korrespondierend zu einem erwünschten Kraftstoffzufuhrprofil eines Kraftstoffeinspritzvorgangs, und mit einem Kraftstoffzufuhrprofil-Interfacemodul, das angesprochen von den Steuerungssignalen Ansteuerungsprofil-Signale an den Kraftstoffinjektor ausgibt, umfasst, um den Kraftstoffinjektor zu veranlassen, ein tatsächliches Kraftstoffzufuhrprofil zu liefern, wobei das Kraftstoffzufuhrprofil Interface-Modul angesprochen von einem Parametersignal, das eine Charakteristik des tatsächlichen Kraftstoffzufuhrprofils kennzeichnet, die Ansteuerungsprofil-Signale während des Kraftstoffeinspritzvorgangs verändert.

Description

BEREICH DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Einspritzratenform-Modellierung (Shaping) und insbesondere auf Systeme und Verfahren zur Bereitstellung von Adaptiv-Steuerungen von Zyklus-zu-Zyklus mit geschlossener Regelung, um Techniken mit geschlossener Regelung innerhalb eines Zyklus weiter zu entwickeln und die Korrelation zwischen einer tatsächlich eingespritzten Ratenform und einer beabsichtigten Ratenform zu verbessern.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Zur Bereitstellung von Kraftstoff in eine Verbrennungskammer eines Verbrennungsmotors, was als Kraftstoffeinspritzvorgang beschrieben werden kann, empfängt ein Kraftstoffinjektor ein Ansteuerungsprofil-Signal von einem Controller (Steuergerät) des Motors, um eine „Ratenform“ der Kraftstoffeinspritzung zu erzeugen. In Abhängigkeit der Betriebszustände/-konditionen des Motors kann die Ratenform, die von dem Kraftstoffinjektor während eines Einspritzvorgangs an die Verbrennungskammer geliefert wird, variieren. (Zum Beispiel kann der Kraftstoffinjektor gesteuert werden, um eine trapezoide, eine quadratische, oder eine Boot-Einspritzprofilform bereitzustellen, um einige Formen zu nennen.)
Durch Variation des Piezospannungsprofils (d.h., des Steuerungs-Input oder der Ansteuerungsprofil-Signalcharakteristika) kann die Nadelposition des Kraftstoffinjektors variiert werden, um eine erwünschte/beabsichtigte Ratenform der Kraftstoffeinspritzung in die Verbrennungskammer einzuspritzen. Die Regulierung der Nadelposition, um eine vorbestimmte Ratenform mit geringer Toleranz zu erhalten, stellt bei einem Betrieb mit offener Regelung eine Herausforderung dar. Unpräzise Ratenformen führen im Allgemeinen zu unerwünschter Motorleistung (d.h., reduzierte Kraftstoffeffizienz und vermehrte Emissionen). Daher wurde innerhalb des Einspritz-Zyklus eine Technik mit geschlossener Regelung („In-Zyklus“) entwickelt und ist in der PCT-Patentanmeldung Nr. PCT/ US2014/55856 , angemeldet am 16. September 2014, mit der Bezeichnung „SYSTEM FOR ADJUSTING A FUEL INJECTOR ACTUATOR DRIVE SIGNAL DURING A FUEL INJECTION EVENT“ (Vertreter-Zeichen CI-12-0461-01-PCT-e") (nachfolgend als „die In-Zyklus Anmeldung“ bezeichnet) offenbart, wobei deren vollständige Offenbarung hier ausdrücklich zitiert und eingebunden wird. Nachdem die Lehre der In-Zyklus Anmeldung die Genauigkeit der Kraftstoffeinspritzvorgänge deutlich verbessert (d.h., bezüglich Übereinstimmung von tatsächlicher Ratenform mit beabsichtigter Ratenform), ist bei dem System mit geschlossener Regelung die Performance der Kraftstoffinjektoren nach wie vor nachteilhaft beeinträchtigt durch die Zeitverzögerung zwischen der Ausgabe der Ratenform und dem(n) gemessenen erkannten Signal(en), die zur Bereitstellung der Ausgabe verwendet werden. Aufgrund der Zeitverzögerung lässt die In-Zyklus Technik allgemein noch einige Fehler zwischen der beabsichtigten Ratenform und der tatsächlichen Ratenform des Kraftstoffeinspritzprofils zu.
KURZFASSUNG DER OFFENBARUNG
Die vorliegende Erfindung behandelt den Ratenformprofil-Fehler bei den In-Zyklus Techniken insbesondere im Dauerbetrieb, indem die In-Zyklus Steuerungen mit geschlossenem Regelkreis mit Zyklus-zu-Zyklus Steuerungen kombiniert werden, die lernfähig sind (d.h., anpassen) und die Steuerungseingänge der Kraftstoffinjektoren auf der Basis von vorhergehenden/früheren Betriebszyklen anpassen und den Ratenprofil-Input korrigieren, um eine präzise Ratenform bereitzustellen. Demzufolge umfasst das gesamte Steuerungssignal gemäß der vorliegenden Erfindung einen In-Zyklus Input mit geschlossener Regelung und einen Adaptionsinput, der aus vorhergehenden/früheren Betriebszyklen lernt. Das Steuerungssignal kann ein oder viele Arten von Sensorsignalen mit Zustands-Abschätzungen verwenden. Derartige Eingänge können ein oder mehrere der folgenden Sensorsignale bzw. Parameter umfassen, nämlich Körperdruck oder HPC-Druck, Piezostapelspannung/-Strom, Piezo-Feedback-Sensorkraft, Piezoladung, Piezoenergie, Zylinderdruck, etc.), und zwar entweder als gemessenes/detektiertes Signal oder als abgeschätztes Signal.
In einer Ausführung der Erfindung wird ein System bereitgestellt, das einen Motor mit einem Kraftstoffinjektor, einen Controller, der zur Erzeugung von Steuerungssignalen korrespondierend zu einem erwünschten Kraftstoffzufuhrprofil (Kraftstoffzufuhrverlauf) eines Kraftstoffeinspritzvorgangs für den Kraftstoffinjektor eingerichtet ist, ein Interface-Modul (Schnittstellen-Modul), das angesprochen von den Steuerungssignalen Ansteuerungsprofil-Signale an den Kraftstoffinjektor ausgibt, um den Kraftstoffinjektor zu veranlassen, ein tatsächliches/aktuelles Kraftstoffzufuhrprofil zu liefern, wobei das Interface-Modul angesprochen von einem Parametersignal, das eine Charakteristik des tatsächlichen/aktuellen Kraftstoffzufuhrprofils kennzeichnet, das während eines Zyklus des Kraftstoffeinspritzvorgangs ermittelt wird, die Ansteuerungsprofil-Signale einstellt, um einen Fehler zwischen dem erwünschten Kraftstoffzufuhrprofil und dem tatsächlichen/aktuellen Kraftstoffzufuhrprofil zu reduzieren, und ein Adaptions-Modul, das angesprochen von einem Performance-Index des tatsächlichen/aktuellen Kraftstoffzufuhrprofils, das während wenigstens einem vorhergehenden Zyklus des Kraftstoffeinspritzvorgangs ermittelt ist, die Ansteuerungsprofil-Signale einstellt, um den Fehler zwischen dem erwünschten/beabsichtigten Kraftstoffzufuhrprofil und dem tatsächlichen/aktuellen Kraftstoffzufuhrprofil zu reduzieren, umfasst. Nach einem Aspekt dieser Ausführung umfasst der Performance-Index einen absoluten Wert einer Fehlersumme zwischen dem erwünschten/beabsichtigten Kraftstoffzufuhrprofil und dem tatsächlichen/aktuellen Kraftstoffzufuhrprofil für ein ausgewähltes interessierendes Zeitfenster. Nach einem anderen Aspekt umfasst der Performance-Index eine Quadratsumme von Fehlern zwischen dem erwünschten/beabsichtigten Kraftstoffzufuhrprofil und dem tatsächlichen/aktuellen Kraftstoffzufuhrprofil für ein ausgewähltes interessierendes Zeitfenster. Nach noch einem anderen Aspekt erzeugt das Adaptions-Modul eine Adaptionsausgabe, die mit den Ansteuerungsprofil-Signalen kombiniert ist, wobei die Adaptionsausgabe für einen aktuellen Zyklus der Adaptionsausgabe für einen vorhergehenden Zyklus entspricht, wenn die Adaptionsausgabe für den aktuellen Zyklus nicht einen Grenzwert überschreitet. Nach einer Variante dieses Aspekts modifiziert das Adaptions-Modul die Adaptionsausgabe für den aktuellen Zyklus um ein Inkrement, wenn die Adaptionsausgabe für den aktuellen Zyklus den Grenzwert überschreitet. Nach einem anderen Aspekt umfasst das Parametersignal wenigstens einen Zylinderdruck und/oder wenigstens einen Kraftstoff-Akkumulatordruck und/oder wenigstens einen Motor-Kurbelwellenwinkel.
Nach einer anderen Ausführung der Erfindung wird ein Steuerungssystem bereitgestellt, das einen Controller mit einer Ausgabe, die ein Steuerungssignal bereitstellt, das eine erwünschte/beabsichtigte Ratenform eines Kraftstoffeinspritzvorgangs kennzeichnet, ein Interface-Modul mit einem Eingang, der das Steuerungssignal empfängt, mit einer Feedback-Ausgabe, die ein Feedback-Signal bereitstellt, das eine tatsächliche/aktuelle Ratenform des Kraftstoffeinspritzvorgangs kennzeichnet, und mit einer Steuerungsausgabe, die ein Steuersignal zur Steuerung des Betriebs eines Kraftstoffinjektors bereitstellt, umfasst, wobei das Steuersignal eine Komponente mit offener Regelung, die von dem Steuerungssignal erzeugt ist, eine In-Zyklus Komponente mit geschlossener Regelung, die von einem Fehler zwischen dem Steuerungssignal und dem Feedback-Signal während des Kraftstoffeinspritzvorgangs erzeugt ist, und eine Adaptions-Komponente mit geschlossener Regelung umfasst, die von einem Fehler zwischen dem Steuerungssignal und dem Feedback-Signal während eines früheren/vorhergehenden Kraftstoffeinspritzvorgangs erzeugt wird. Nach einem Aspekt dieser Ausführung wird die Adaptions-Komponente angesprochen von einem Performance-Index der tatsächlichen/aktuellen Ratenform während des früheren/vorhergehenden Kraftstoffeinspritzvorgangs erzeugt. Nach einer Variante dieses Aspekts umfasst der Performance-Index einen absoluten Wert einer Fehlersumme zwischen der erwünschten/beabsichtigten Ratenform und der tatsächlichen/aktuellen Ratenform für ein ausgewähltes interessierendes Zeitfenster. Nach einer anderen Variante umfasst der Performance-Index eine Quadratsumme von Fehlern zwischen der erwünschten/beabsichtigten Ratenform und der tatsächlichen/aktuellen Ratenform für ein ausgewähltes interessierendes Zeitfenster. Nach einem anderen Aspekt dieser Ausführung erzeugt ein Adaptions-Modul die Adaptions-Komponente, so dass die Adaptions-Komponente für einen aktuellen Betriebszyklus des Adaptions-Moduls unverändert für einen nächsten Betriebszyklus ist, wenn ein Performance-Index der Adaptions-Komponente für den aktuellen Zyklus nicht ein Kriterium erfüllt. Nach einer Variante dieses Aspekts modifiziert das Adaptions-Modul die Adaptions-Komponente für einen aktuellen Zyklus um ein Inkrement, um die Adaptions-Komponente für den nächsten Zyklus zu erzeugen, wenn der Performance-Index der Adaptions-Komponente für den aktuellen Zyklus das Kriterium erfüllt.
Nach einer anderen Ausführung der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt, das die folgenden Merkmale umfasst:

Bereitstellung eines Ansteuerungsprofil-Signals an einen Kraftstoffinjektor, um einen Kraftstoffeinspritzvorgang mit einer erwünschten/beabsichtigten Ratenform zu veranlassen, wobei der Kraftstoffeinspritzvorgang eine Mehrzahl von Zyklen umfasst;
Ermittlung eines Fehlersignals für jeden der Mehrzahl von Zyklen, das einen Unterschied zwischen dem Ansteuerungsprofil-Signal und einem Feedback-Signal repräsentiert, das eine tatsächliche/aktuelle Ratenform des Kraftstoffeinspritzvorgangs kennzeichnet;
Bereitstellung einer In-Zyklus Einstellung für das Ansteuerungsprofil-Signal für einen aktuellen Zyklus als Reaktion auf das Fehlersignal; und Bereitstellung einer Adaptions-Einstellung für das Ansteuerungsprofil-Signal für den aktuellen Zyklus als Reaktion auf das Fehlersignal und einen Performance-Index des Fehlersignals während eines früheren Einspritzvorgangs.

Nach einem Aspekt dieser Ausführung ist die Adaptions-Einstellung Null, wenn der Performance-Index der tatsächlichen/aktuellen Ratenform während des früheren Einspritzvorgangs nicht ein Kriterium erfüllt, und die Adaptions-Einstellung ist ungleich Null, wenn der Performance-Index das Kriterium erfüllt. Nach einem anderen Aspekt umfasst die Bereitstellung einer Adaptions-Einstellung die Ermittlung des Performance-Index, indem ein absoluter Wert einer Fehlersumme zwischen der erwünschten/beabsichtigten Ratenform und der tatsächlichen/aktuellen Ratenform für ein ausgewähltes Zeitfenster errechnet wird. Nach noch einem anderen Aspekt umfasst die Bereitstellung einer Adaptions-Einstellung die Ermittlung des Performance-Index, indem eine Quadratsumme von Fehlern zwischen der erwünschten/beabsichtigten Ratenform und der tatsächlichen/aktuellen Formrate für ein ausgewähltes Zeitfenster errechnet wird. Ein anderer Aspekt umfasst außerdem eine Feedforward-Anpassung des Ansteuerungsprofil-Signals in Reaktion auf Betriebszustände/-konditionen des Kraftstoffinj ektors.
Während vorstehend eine Mehrzahl von Ausführungen der Erfindung offenbart sind, werden dem Fachmann dennoch weitere Ausführungen der Erfindung klarer aus der folgenden detaillierten Beschreibung, die ausgewählte erläuternde Ausführungen der Erfindung offenbart. Demzufolge haben die Zeichnungen und ihre detaillierte Beschreibung veranschaulichenden und nicht beschränkenden Charakter.
Figurenliste
Die vorstehenden Merkmale und weitere Merkmale der offenbarten Erfindung und Wege zu deren Bereitstellung sowie die Offenbarung der Erfindung selbst werden klarer und einfacher verständlich unter Hinzuziehung der folgenden Beschreibung von Ausführungen der Erfindung mit den sie begleitenden Zeichnungen. Hierzu zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors mit einem zugeordneten Kraftstoffsystem;
2 eine schematische Darstellung eines In-Zyklus Steuerungssystems;
3 eine graphische Darstellung der Leistungsmerkmale (Performance) einer Ratenform eines Steuerungssystems mit offener Regelung;
4 eine graphische Darstellung der Leistungsmerkmale (Performance) eines In-Zyklus Steuerungssystems;
5 ein Diagramm einer Steuerung eines vorliegend offenbarten Kraftstoffeinspritzsteuerungssystems;
6 ein Diagramm einer Steuerung eines vorliegend offenbarten Algorithmus; und
7 eine graphische Darstellung der Leistungsmerkmale (Performance) eines vorliegend offenbarten Kraftstoffeinspritzsteuerungssystems.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGEN
Der nachfolgend beschriebene Motor 10 ausgewählter Ausführungen der Erfindung umfasst ein Steuerungssystem, das zur Ausführung ausgewählter Operationen zur Steuerung eines Kraftstoff-Subsystems eingerichtet ist. In ausgewählten Ausführungen bildet das Steuerungssystem einen Teil eines Subsystems zur Aufbereitung (Verarbeitung), das ein oder mehrere Computerbauelemente umfasst, mit einem Speicher oder einer Mehrzahl von Speichern, einem Prozessor oder einer Mehrzahl von Prozessoren, und mit zahlreichen weiteren Hardwarekomponenten. Das Subsystem zur Aufbereitung kann ein(e) einzelne(s) Vorrichtung/Bauelement oder ein(e) dezentralisierte(s)/verteilte(s) Vorrichtung/Bauelement sein, wobei die Funktionen eines Controllers des (nachfolgend beschriebenen) Subsystems mittels Hardware und/oder mittels Computerbefehlen eines transienten (nicht stationären) computerlesbaren Speichermediums ausgeführt werden können.
Angesichts und Dank der vorliegenden Offenbarung erkennt ein Fachmann, dass in ausgewählten Ausführungen der vorliegenden Erfindung ein Controller derart strukturiert sein kann, dass Operationen zur Verbesserung zahlreicher Technologien ausführbar sind und Verbesserungen in zahlreichen technischen Gebieten bereitgestellt werden. Ohne Einschränkung können nicht beschränkte Beispiele derartiger Technologien Verbesserungen des Verbrennungswirkungsgrads von Verbrennungsmotoren, Verbesserungen des Emissionsverhaltens, der Nachbehandlung von System-Regeneration, des Motordrehmoments und der Drehmomentsteuerung, des wirtschaftlichen Einsatzes von Verbrennungskraftstoff, der Beständigkeit der Komponenten eines Abgassystems für Verbrennungsmotoren, und für Motorengeräusch- und -Vibrationssteuerung umfassen.
Ausgewählte hier beschriebene Operationen umfassen Operationen zur Interpretation und/oder zur Bestimmung eines oder mehrerer Parameter. Die Begriffe Interpretation und Bestimmung umfassen wie hier verwendet mittels auf eine beliebige bekannte Weise ermittelte Werte einschließlich wenigstens den Empfang von Werten aus Daten-Links oder über Netzwerk-Kommunikation, wobei ein elektronisches Signal empfangen wird (z.B., ein Spannungs-, Frequenz-, Strom-, oder pulsbreitenmoduliertes / PWM-Signal) , das einen Wert kennzeichnet, Empfang eines computergenerierten Parameters, der den Wert kennzeichnet, Lesen des Werts von einem lokalen Speicher eines stationären, nicht transienten computerlesbaren Speichermediums, Empfang des Werts als Laufzeitparameter von beliebigen bekannten Mitteln, Empfang eines Werts, mit dem der interpretierte Parameter kalkuliert werden kann, und/oder mittels Bezugnahme auf einen vorgegebenen Wert, der entsprechend interpretiert wird und dabei den Parameter liefert.
1 zeigt einen vereinfachten schematischen Abschnitt eines Verbrennungsmotors gemäß einer beispielhaften Ausführung der vorliegenden Erfindung, der verallgemeinernd mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichnet ist. Der Motor 10 umfasst im Allgemeinen einen Motorkörper 12, der einen Motorblock 14 mit einem an dem Motorblock 14 befestigten Zylinderkopf 16, ein Kraftstoff-System 18, und ein Steuerungssystem 20 umfasst. Das Steuerungssystem 20 empfängt Signale von an dem Motor 10 angeordneten Sensoren und überträgt Steuerungssignale zu Bauelementen/Vorrichtungen an dem Motor 10, um die Funktion der Bauelemente/Vorrichtungen zu steuern, wie beispielsweise einen oder mehrere nachstehend beschriebene Kraftstoffinjektoren.
Während der Motor 10 seinen beabsichtigten Zweck gut erfüllt, bleibt eine Herausforderung die Effizienz der Verbrennung in dem Motor 10 zu optimieren (um beispielsweise Kraftstoff-Effizienz und Abgas-/Emissionssteuerungen zu nennen). Zur Verbesserung der Effizienz der Verbrennung wurden zahlreiche Techniken vorgeschlagen, wie eine Raten-Modellierung der Kraftstoffeinspritzung der Kraftstoffinjektoren (d.h., Steuerung der Vorgänge der Kraftstoffeinspritzung der Kraftstoffinjektoren, um während der Vorgänge Kraftstoffmengen mit unterschiedlichen Raten zur Steigerung der Verbrennungseffizienz und Reduzierung der Emissionen (Abgase) zu liefern). Beispiele für Systeme und Verfahren zur Modellierung der Rate sind beschrieben in den U.S. Patenten Nr. 5,619,969, 5,983,863, 6,199,533, und 7,334,741 , wobei deren vollständige Offenbarung hier ausdrücklich zitiert und eingebunden wird. Andere Techniken zur Modellierung der Rate (Rate Shaping) umfassen die Bereitstellung einer konstanten Kraftstoff-Flussrate bei Variation des Kraftstoff-Fließdrucks. Weitere Details betreffend die Verwendung und Implementierung von Kraftstoffinjektoren mit der Fähigkeit eine konstante Kraftstoff-Flussrate mit variablem Druck sind detailliert in der parallelen U.S. Patentanmeldung Nr. 13/915,305 , angemeldet am 13. Juni 2013, ausgeführt, wobei deren vollständige Offenbarung hier ausdrücklich zitiert und eingebunden wird.
Die vorliegende Erfindung stellt ein verbessertes System zur Einstellung/Anpassung eines Ansteuerungsprofil-Signals eines Kraftstoffinjektor-Aktuators während eines Kraftstoffeinspritzvorgangs bereit, was eine In-Zyklus Korrektur des Ansteuerungsprofil-Signals mit geschlossener Regelung und eine Zyklus-zu-Zyklus Adaptiv-Anpassung des Ansteuerungsprofil-Signals mit geschlossener Regelung umfasst, und welches zeitliche Verzögerungen zwischen der Ratenform der Ausgabe und dem(n) gemessenen Detektionssignal(en), die zum Erzeugen der Ausgabe verwendet werden, korrigiert und sich daran anpasst. Demnach kann durch die Berücksichtigung dieser Verzögerung und die Anpassung des Ansteuerungsprofil-Signals des Kraftstoffeinspritz-Aktuators die Kraftstoffzufuhr für jeden Kraftstoffeinspritzvorgang verbessert werden, wozu die Form des Ansteuerungsprofil-Signals (Ansteuerungsverlaufsignals), die Amplitude des Ansteuerungsprofil-Signals und die Länge des Ansteuerungsprofil-Signals gehören. Beispiele hierfür geeigneter Kraftstoffeinspritz-Aktuatoren sind piezoelektrische oder magnetostriktive Aktuatoren. Es kann jedoch ein beliebiger Kraftstoffeinspritz-Aktuator verwendet werden, der proportional zur Amplitude der Spannung und/oder des Stroms des Ansteuerungsprofil-Signals anspricht.
Ein Motorkörper 12 umfasst eine Kurbelwelle 22, eine Mehrzahl an Kolben 24, und eine Mehrzahl an Pleuel 26. Die Kolben 24 sind zur wechselseitigen Bewegung (Hin- und Herbewegung) in einer Mehrzahl korrespondierender Zylinder 28 des Motors positioniert, wobei in jedem Zylinder 28 ein Kolben 24 positioniert ist. Ein Pleuel 26 verbindet jeden Kolben 24 mit der Kurbelwelle 22. Ein Fachmann versteht, dass die Pleuel 26 über die Bewegung der Kolben 24 unter Einwirkung eines VerbrennungsVorgangs in dem Motor 10 die Kurbelwelle antreiben.
In dem Zylinderkopf 16 sind eine Mehrzahl von Kraftstoffinjektoren 30 positioniert. Jeder Kraftstoffinjektor 30 steht in Fluidverbindung mit einer Verbrennungskammer 32, die jeweils von einem Kolben 24, Zylinderkopf 16 und dem Abschnitt des Zylinders 28, der sich zwischen dem jeweiligen Kolben 24 und dem Zylinderkopf 16 befindet, ausgebildet ist. Ein Kraftstoffsystem 18 liefert Kraftstoff an die Injektoren 30, der daraufhin von der Aktion der Kraftstoffinjektoren 30 in die Verbrennungskammer 32 eingespritzt wird, was einen oder mehrere Kraftstoffeinspritzvorgänge bereitstellt. Derartige Kraftstoffeinspritzvorgänge können als das Zeitintervall definiert werden, das mit der Bewegung einer Düse oder eines (nicht dargestellten) Nadelventilelements des Kraftstoffinjektors 30 beginnt, bis die Düse oder das Nadelventilelement den Kraftstoffstrom von dem Kraftstoffinjektor 30 in die Verbrennungskammer 32 unterbricht.
Das Kraftstoffsystem 18 umfasst eine Kraftstoffleitung 34, einen Kraftstofftank 36 mit dem Kraftstoff, und eine Hochdruck-Kraftstoffpumpe 38, die in Kraftstoff-Flussrichtung unterhalb des Kraftstofftanks 36 entlang der Kraftstoffleitung 34 positioniert ist, und ein Kraftstoff-Akkumulator oder -Rail 40, der entlang der Kraftstoffleitung 34 in Flussrichtung unterhalb der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 38 positioniert ist. Während der Kraftstoff-Akkumulator oder -Rail 40 als einzelne Einheit oder einzelnes Element dargestellt ist, kann der Kraftstoff-Akkumulator 40 auch über eine Mehrzahl von Elementen verteilt sein, die Kraftstoff unter Hochdruck übertragen oder empfangen, so wie der/die Kraftstoffinjektor(en) 30, die Hochdruck-Kraftstoffpumpe 38, und ein(e) beliebige Leitung, Passage, Röhre, Schlauch und Ähnliches zur Verbindung der Mehrzahl an Elementen mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff. Das Kraftstoff-System 18 kann außerdem ein Eingangs-Messventil 44 umfassen, das entlang der Kraftstoffleitung 34 in Flussrichtung vor der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 38 angeordnet ist, und ein oder mehrere Ausgangs-Prüfventile 46, die entlang der Kraftstoffleitung 34 in Flussrichtung hinter der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 38 angeordnet sind, so dass ein Einbahn-KraftstoffFluss von der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 38 zu dem Kraftstoff-Akkumulator 40 bereitgestellt ist. Obwohl in der Zeichnung nicht dargestellt, können zusätzliche Elemente entlang der Kraftstoffleitung 34 positioniert sein. Beispielsweise können Eingangs-Prüfventile in Flussrichtung unterhalb des Eingangs-Messventils 44 und oberhalb der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 38 positioniert sein, oder Eingangs-Prüfventile können Bestandteile der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 38 sein. Das Eingangs-Messventil 44 hat die Fähigkeit den Kraftstofffluss zu der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 38 zu variieren oder abzuschalten, die somit den Kraftstofffluss zu dem Kraftstoff-Akkumulator 40 abschaltet. Die Kraftstoffleitung 34 verbindet den Kraftstoff-Akkumulator 40 mit den Kraftstoffinjektoren 30, die den Kraftstoff von dem Kraftstoff-Akkumulator 40 erhalten und daraufhin kontrollierte Kraftstoffmengen an die Verbrennungskammern 32 liefern. Das Kraftstoff-System 18 kann auch eine Niederdruck-Kraftstoffpumpe 48 umfassen, die entlang der Kraftstoffleitung 34 zwischen dem Kraftstofftank 36 und der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 38 positioniert ist. Die Niederdruck-Kraftstoffpumpe 48 hebt den Kraftstoffdruck vor dem Kraftstofffluss in die Hochdruck-Kraftstoffpumpe 38 auf ein erstes Druckniveau.
Ein Steuerungssystem 20 kann ein(en) Steuerungsmodul oder Controller 50, einen Leitungssatz 52, ein Interface-Modul 60, und einen Interface-Modul-Leitungssatz 62 umfassen. Das Steuerungssystem 20 kann auch einen Akkumulatordruck-Sensor 54, einen Zylinderdruck-Sensor, der entweder direkt oder indirekt einen Zylinderdruck misst, und einen (nachfolgend beschriebenen) Kurbelwellenwinkelsensor umfassen. Während der Sensor 54 als Drucksensor beschrieben ist, kann der Sensor 54 andere Bauelemente verkörpern, die zur Bereitstellung eines Drucksignals, das den Kraftstoffdruck repräsentiert, kalibrierbar sind, wie etwa ein Kraftaufnehmer, ein Dehnungssensor, oder ein anderes Bauelement. Der Zylinderdruck-Sensor kann ein Sensor wie ein Dehnungssensor 59 (Strain Gauge Sensor) sein, der an einer Stelle zur Messung der in der Verbrennungskammer 32 erzeugten Kraft positioniert ist. Beispielsweise kann der Dehnungssensor 59 an dem Pleuel 26 positioniert sein, was in der beispielhaften Ausführung von 1 dargestellt ist, so dass der Dehnungssensor 59 indirekt den Druck in der Verbrennungskammer 32 misst. Ein Zylinderdruck-Sensor 61 kann zur direkten Messung den Druck in der Verbrennungskammer 32 geeignet positioniert sein. Der Kurbelwellenwinkelsensor kann ein Zahnrad-Sensor 56, ein Dreh- (rotary) Hall-Sensor 58, oder ein anderes Bauelement sein, das geeignet ist, den Drehwinkel der Kurbelwelle 22 zu messen. Das Steuerungssystem 20 verwendet Signale des Akkumulatordruck-Sensors 54 und des Kurbelwellenwinkelsensors zur Ermittlung des von der Verbrennungskammer erhaltenen Kraftstoffs.
Der Controller 50 kann eine elektronische Steuerungseinheit oder ein elektronisches Steuerungsmodul (electronic control module, „ECM“), das den Betriebszustand bzw. die Konditionen des Motors 10 oder eines dem Motor 10 zugeordneten und von ihm angetriebenen Fahrzeugs aufzeichnen kann. Der Controller 50 kann ein einzelner Prozessor, ein verteilter (distributed) Prozessor, ein elektronisches Äquivalent eines Prozessors, oder eine beliebige Kombination der vorstehenden Elemente sein, sowie Software, elektronische Speicher, fixe Nachschlagetabellen (fixed lookup tables) und Ähnliches. Der Controller 50 kann einen digitalen und/oder analogen Schaltkreis umfassen. Der Controller 50 kann über einen Leitungssatz 52 mit vorbestimmten Komponenten des Motors 10 verbunden sein, obwohl eine derartige Verbindung auch mit anderen Mitteln, insbesondere auch drahtlos, bereitgestellt sein kann. Beispielsweise kann der Controller 50 mit dem Eingangs-Messventil 44 und dem Interface-Modul 60 verbunden sein und entsprechend Steuerungssignale an das Eingangs-Messventil 44 und das Interface-Modul 60 liefern. Das Interface-Modul 60 steht mit den Kraftstoffinjektoren 30 über das Interface-Modul in Verbindung 62.
Beim Betrieb des Motors 10 erzeugt die Verbrennung in der Verbrennungskammer 32 die Bewegung der Kolben 24. Die Bewegung der Kolben 24 erzeugt die Bewegung der Pleuel 26, die die Kurbelwelle 22 antreiben, wobei die Bewegung der Pleuel 26 eine Drehbewegung der Kurbelwelle 22 verursacht. Der Drehwinkel der Kurbelwelle 22 wird von dem Controller 50 beobachtet, um die zeitliche Steuerung der Verbrennungsvorgänge in dem Motor 10 zu unterstützen, und für andere Zwecke. Der Drehwinkel der Kurbelwelle 22 kann an einer Mehrzahl von Positionen beobachtet werden, die eine Haupt-Kurbelwellenscheibe (nicht dargestellt), ein Motor-Schwungrad (nicht dargestellt), eine Motor-Nockenwelle (nicht dargestellt), oder die Kurbelwelle selbst umfassen. Die Messung des Drehwinkels der Kurbelwelle 22 kann mit einem Zahnrad-Sensor 56, einem Dreh-Hall-Sensor 58, und mit anderen Techniken bereitgestellt werden. Ein Signal, das den Drehwinkel der Kurbelwelle 22 repräsentiert, auch als Kurbelwellenwinkel bezeichnet, wird von dem Zahnrad-Sensor 56, dem Dreh-(rotary) Hall-Sensor 58 oder einem anderen Bauelement an den Controller 50 übermittelt.
Der Kraftstoffdruck Sensor 54 ist mit dem Kraftstoff-Akkumulator 40 verbunden und geeignet den Kraftstoffdruck in dem Kraftstoff-Akkumulator 40 zu detektieren oder zu messen. Der Kraftstoffdruck-Sensor 54 überträgt oder sendet Signale zur Kennzeichnung des Kraftstoffdrucks in dem Kraftstoff-Akkumulator 40 an den Controller 50. Der Kraftstoff-Akkumulator 40 ist mit jedem Kraftstoffinjektor 30 verbunden. Das Steuerungssystem 20 stellt den Kraftstoffinjektoren 30 Steuersignale bereit, die Betriebsparameter jedes Kraftstoffinjektors 30 ermitteln, so wie die Zeitdauer des Betriebs der Kraftstoffinjektoren 30 und die Rate des während eines Kraftstoffeinspritzvorgangs eingespritzten Kraftstoffs, die den von jedem Kraftstoffinjektor 30 gelieferten Kraftstoffbetrag festlegt.
2 zeigt das Interface-Modul 60, das einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis („ASIC“) umfassen kann, der als ein Feld programmierbares Gate Array („FPGA“), oder ASIC/FPGA 64 implementiert werden kann. Der ASIC/FPGA 64 ist ein Hochgeschwindigkeits-Bauelement, das Signale von dem Controller 50 und von anderen Ursprüngen akzeptiert, was nachfolgend beschrieben wird, und erzeugt ein Kraftstoffinjektor-Ansteuerungsprofil-Signal, das zahlreiche Ansteuerungs-Charakteristika umfasst, mit einer Form/Modellierung des Ansteuerungsprofil-Signals, einer Amplitude des Ansteuerungsprofil-Signals, und mit einer Dauer oder Pulsbreite des Ansteuerungsprofil-Signals. Das Interface-Modul 60 umfasst weiterhin einen Kraftstoffinjektor-Treiber 66 und einen Analog-Digital-Wandler („ADC“) 70.
Der ASIC/FPGA 64 überträgt das Kraftstoffinjektor-Ansteuerungsprofil-Signal an den Kraftstoffinjektor-Treiber 66, der das Kraftstoffinjektor-Ansteuerungsprofil-Signal verstärkt, und dann auf Befehl des Controllers 50 das Ansteuerungsprofil-Signal an jeden der Mehrzahl von Kraftstoffinjektoren 30 überträgt. Der Kraftstoffinjektor-Treiber 66 überträgt ein oder mehrere Feedback-Signale an den ADC 70, die ein Signal umfassen können, das die Antriebsspannung und den Antriebsstrom kennzeichnet, und das als ein piezoelektrisches, Piezo-, oder magnetostriktives Antriebs-Spannungs-Signal 72 und ein piezoelektrisches, Piezo-, oder magnetostriktives Antriebs-Strom-Signal 74 bezeichnet werden kann.
Ein Kraftstoffinjektor 30 kann einen Sensor umfassen, der mit dem Inneren des Kraftstoffinjektors 30 mit einer Kraftstoffleitung 34 zwischen Kraftstoff-Rail oder Kraftstoff-Akkumulator 40 und dem Kraftstoffinjektor 30 verbunden ist, und der ein analoges Leitungsdruck-Signal 76 als Feedback-Signal an den ADC 70 liefert. Ein Kraftstoffinjektor 30 kann auch einen Sensor umfassen, der ein analoges Aktuator-Feedback-Signal 78 proportional zu der aktuellen Bewegung eines Kraftstoffinjektor-Aktuators, zu einer Position eines Nadel- oder Düsen-Ventilelement (nicht dargestellt), zu einer Kraftstoff-Einspritzratenform, oder zu anderen Komponenten oder Merkmalen, liefert, wobei der Sensor eingerichtet ist, auf das Ansteuerungsprofil-Signal anzusprechen. Ein derartiger Sensor kann beispielsweise ein piezoelektrischer Feedbackkraftsensor sein. Ein Signal, das den Druck in der Verbrennungskammer 32 kennzeichnet, das als ein Zylinderdruck-Signal beschrieben werden kann, kann von einem Sensor wie etwa einem Dehnungsmesser (Strain Gauge Sensor) 59 und/oder einem Zylinderdruck-Sensor 61 an den ADC 70 übertragen werden. Das analoge Signal, das von dem Akkumulatordruck-Sensor 54 geliefert wird, kann ebenfalls dem ADC 70 bereitgestellt werden.
Der ADC 70 empfängt eine Mehrzahl von analogen Feedback-Signalen und konvertiert die Mehrzahl von analogen Feedback-Signalen in ein serielles digitales Signal, das an den ASIC/FPGA 64 übertragen wird. Da die Anzahl von Inputs in den ADC 70 begrenzt sein kann, oder aus Geschwindigkeitsgründen, können mehrere Analog-zu-Digital-Wandler vorgesehen sein, um eine Mehrzahl von Feedback-Signalen zu empfangen, die zu jedem Kraftstoffinjektor 30 gehören. Da nach einem Aspekt des Systems der vorliegenden Erfindung Feedback-Signale verwendet werden, um das Kraftstoffinjektor-Ansteuerungsprofil-Signal zu steuern, wird dieses offenbarte System als System mit geschlossener Regelung bezeichnet.
Nachdem der ASIC/FPGA 64 das(die) Feedback-Signal(e) empfängt, analysiert der ASIC/FPGA 64 die tatsächliche/aktuelle Kraftstoffeinspritzrate und kalkuliert den von dem Kraftstoffinjektor 30 während der Einspritzvorgangs gelieferten Betrag. Wenn die Kraftstoffeinspritzrate von der basierend auf dem Kraftstoffinjektor-Ansteuerungsprofil-Signal, das von dem Controller 50 festgestellt ist, erwarteten Kraftstoffeinspritzrate abweicht, oder wenn der Betrag des von dem Kraftstoffinjektor 30 gelieferten Kraftstoffs sich von dem von dem Controller 50 geforderten Betrag unterscheidet, modifiziert der ASIC/FPGA 64 das Kraftstoffinjektor-Ansteuerungsprofil-Signal, um das Kraftstoffinjektor-Ansteuerungsprofil-Signal zu korrigieren oder einzustellen und/oder um die ausgegebene Kraftstoffmenge einzustellen, während der Kraftstoffeinspritzvorgang auf die Weise läuft, wie in der In-Zyklus Anmeldung beschrieben ist. Der ASIC/FPGA 64 kann also das Kraftstoffinjektor-Ansteuerungsprofil-Signal während einer Einspritzung modifizieren, falls dies von dem Controller 50 gefordert wird. Da der ASIC/FPGA 64 ein dedizierter Schaltkreis ist, kann er zahlreiche Signale empfangen, sie analysieren, und das Kraftstoffinjektor-Ansteuerungsprofil-Signal nahezu in Echtzeit modifizieren, und zwar mit einer Ansprechzeit von ungefähr 10 Mikrosekunden oder weniger im Vergleich zu einem Kraftstoffeinspritzvorgang, der sich über ein Intervall erstreckt, das im Bereich von einigen oder mehr Millisekunden liegt.
Das System mit geschlossener Regelung zur Bereitstellung einer In-Zyklus Korrektur des Ansteuerungsprofil-Signals für die Kraftstoffinjektoren 30 stellt eine akkuratere und wiederholbare/reproduzierbare Ratenform-Modellierung (Shaping) im Vergleich zu Systemen mit offener Regelung dar, die Charakteristika der tatsächlichen/aktuellen Ratenform auf der Basis von indirekten Messungen ableiten, wie von Rail- oder Akkumulatordruck. 3 zeigt die Leistungsmerkmale (Performance) eines Systems mit offener Regelung, wobei der Steuerungs-Input eine Piezospannung 80 ist (d.h., die Spannung, die den Aktuator des Kraftstoffinjektors 30 steuert). Wie der Zeichnung entnommen werden kann, gibt es eine signifikante Abweichung zwischen der tatsächlichen/aktuellen Einspritzratenform 82 und der Ziel-Einspritzratenform 84, insbesondere während der Startphase (dem „Boot Regime“) von zwischen 0.0013 bis 0.0030 Sekunden. 4 zeigt die Leistungsmerkmale (Performance) eines In-Zyklus Systems mit geschlossener Regelung, wie in der In-Zyklus Anmeldung beschrieben. Im Vergleich mit 3, wird die Piezospannung 80 von den In-Zyklus Korrekturtechniken insbesondere innerhalb des „Boot Regime“ modifiziert, woraus eine bessere Korrelation zwischen der tatsächlichen/aktuellen Einspritzratenform 82 und der Einspritzratenform 84 resultiert. Einige Systeme leiden unter einer langen Transportverzögerung (d.h., Zeitverzögerung) zwischen dem Steuerungs-Input 80 und der Ausgabe. In einigen Fällen tritt die Zeitverzögerung aufgrund von Einschränkungen eines nicht ansprechbaren physikalischen Systems und/oder einer Messverzögerung des Sensors auf. Daher kann eine Fehlerminimierung zwischen dem gesetzten Referenzpunkt und der Ausgabe aufgrund der Zeitverzögerung sehr herausfordernd sein. Eine Ausführung der vorliegenden Erfindung behandelt diesen Sachverhalt.
Wie vorstehend darauf hingewiesen stellt die vorliegende Erfindung (zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen In-Zyklus-Steuerungen) Zyklus-zu-Zyklus Adaptions-Steuerungen in einem System mit geschlossener Regelung bereit. Die vorliegende Erfindung stellt dabei Techniken zur Performance-Verbesserung der Ratenform bereits, insbesondere im Dauerbetrieb, indem die In-Zyklus Steuerungen mit Zyklus-zu-Zyklus Adaptiv-Steuerungen kombiniert werden, wobei die Steuerungen aus dem vorhergehenden Betriebszyklus lernen und Fehlerkorrekturen zur präziseren Ratenform-Modellierung bereitstellen. Das allgemeine Steuerungssignal umfasst bei der vorliegenden Erfindung daher einen geschlossen geregelten In-Zyklus Input und einen Adaptionsinput (Anpassungsinput), der aus den vorhergehenden Betriebszyklen lernt, was nachfolgend beschrieben wird. Das Steuerungssignal kann eine oder viele Arten von Sensorsignalen mit Zustandsabschätzungen verwenden. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung Signale zu Hauptdruck oder HPC-Druck, Piezostapel-Spannung/Strom, Piezo-Feedbacksensorkraft, Piezo-Ladung, Piezo-Energie, Zylinderdruck, etc. entweder in tatsächlich erkannter Form oder abgeschätzter Form verwenden. Die Zyklus-zu-Zyklus Adaptiv-Steuerungen können dabei den Fehlerdurchschnitt zwischen Ziel-Ratenform und gemessener Ratenform verwenden. Alternativ hierzu könnten die Steuerungen Punkt-zu-Punkt-Fehler zwischen Target-Ratenform und gemessener Ratenform während der Kalkulation der Steuerungseingänge verwenden. Wie weiterhin nachfolgend beschrieben, verwendet das Steuerungssystem in einer Ausführung einen Algorithmus, der die Zeitverzögerung zwischen der erkannten(detektierten)/abgeschätzten Ratenform und dem Steuerungs-Input aus Daten eines vorhergehenden Zyklus abgeschätzt. Das Steuerungssystem erhöht den kalkulierten Steuerungs-Input durch die Zeitverzögerung, die aus früheren Daten ermittelt ist, so dass es den Fehler verringern oder vermeiden kann, bevor er auftritt. Das System verwendet ein Modell zur Kalkulation des Fortschrittsanteils (Feedforward) des allgemeinen Steuerungssignals. Die Adaptions-Parameter (Anpassungsparameter) können in einigen Ausführungen beim Ausschalten gesichert werden, so dass der Algorithmus sie beim nächsten Einschalten nicht wieder erneut lernen muss. Nachdem die Anpassung konvergent verlaufen ist, kann der Algorithmus außerdem weniger oft ausgeführt werden, um die Änderungen der Adaptions-Parameter zu beobachten. Wenn sich die Adaptions-Parameter signifikant verändern, kann der Betriebszustand des zugeordneten Kraftstoffinjektors 30 diagnostiziert werden, indem die Adaptions-Parameter analysiert werden. Der/die Adaptions-Parameter kann/können mit einem vorbestimmten kalibrierten Grenzwert verglichen werden, um zu ermitteln, ob dieses Adaptions-Verfahren auf den Betriebszustand des zugeordneten Kraftstoffinjektors oder auf andere Komponenten angewendet werden kann. Es sei erwähnt, dass einige der Diagnosen so einfach wie die Adaption eines einzelnen Parameters sein können, während andere Betriebszustands-Diagnosen aus der algebraischen Manipulation einer Mehrzahl von Adaptions-Parameter kommen können.
5 zeigt eine Übersicht des Steuerungs-Schemas der vorliegenden Erfindung. Ein System 90 umfasst einen Controller 50, Einspritztreiber 66 und das Interface-Modul 60 von 2 und auch den vorstehend beschriebenen Motor, die Kraftstoffinjektoren und Sensoren zusammen in Block 92. Das System 90 umfasst außerdem einen Summierpunkt 94, einen Verstärker 96, einen Summierpunkt 98 und einen Prozessorblock 100. Der Verstärker 96, der Summierpunkt 98 und der Prozessorblock 100 sind alle Teil eines erfindungsgemäßen Adaptions-Moduls 104. Beim Betrieb stellt der Controller 50 dem Summierpunkt 94 Informationen bezüglich der beabsichtigten / erwünschten Einspritzung, wie Menge, Zeitvorgabe, Ratenform (d.h. Boot, Steigung, Trapezoid oder andere Form) bereit. Der Summierpunkt 94 stellt als Ausgabe die Differenz zwischen der beabsichtigten/erwünschten Ratenform und einer von dem Interface-Modul 60 wie beschrieben bereitgestellten Abschätzung der tatsächlichen Ratenform bereit. Das Fehlersignal wird dem Adaptions-Modul 104 und insbesondere dem Verstärker 96 zur Verfügung gestellt, der das verstärkte Fehlersignal Kp an den Summierpunkt 98 ausgibt. Die andere Eingabe des Summierpunkts 98 wird von dem Feedforward-Korrektur-Verarbeitungsblock 100 bereitgestellt, was von der Ausgabe des Controllers 50 abgeleitet ist. Das Adaptions-Modul 104 verarbeitet die Entwicklung des Summierpunkts 94 und gibt dies über die Verbindung 106 an den Punkt 119 aus. Das Adaptions-Modul 104 vergleicht intuitiv die Fehlerprofile des existierenden Zyklus mit den Fehlerprofilen der/des vorhergehenden Motor-Zyklen/-Zyklus und passt gemäß dem Steuersignal an, wenn das System konvergiert, und verwirft gemäß dem Steuersignal, wenn die Ausgabe von einem beabsichtigten Referenz-Einspritzprofil abweicht. Bei Vorliegen einer Zeitverzögerung wirkt das Steuersignal zum aktuellen Zeitpunkt Uinc_T,_K auf das Fehlersignal zu einem viel späteren Zeitpunkt E_T+Nd,K, wobei, Nd die Anzahl der Ereignisse mit gemäß Zeitverzögerung verzögertem Fehler ist. Das Adaptions-Modul 104 nutzt den vorhergehenden Zyklus-Fehler zu einem späteren Zeitpunkt, E_T+Nd,K-1 beim Erzeugen eines Steuerungssignals, Uinc_T,_K zu einem aktuellen Zeitpunkt für den existierenden Zyklus (d.h., das inkrementale Adaptions-Signal, Uinc_T,_K ist eine Funktion von E_T+Nd,K-1). Kurz gesagt, passt das Adaptions-Modul 104 das neu adaptierte/angepasste Signal UA_T,K = UA_T,K + Uinc_T,_K an, und wenn andere Bedingungen erfüllt sind, kehrt es zu seinem vorhergehenden Zyklus-Wert zurück, UA_T,K = UA_T,K-1. Die Bedingung zur Anpassung hängt von der Minimierung eines Fehlers dieses Zyklus verglichen mit dem vorhergehenden Zyklus zum gleichen Zeitpunkt ab. Eine Ausführung von Uinc_T,K, die angepasst ist, ist: Abs(E_T+Nd,K) < Abs(E_T-Nd,K-1). Die Ausgabe des Summierpunkts 98 wird in dem Summierpunkt 119 über das Signal 106 zu der Ausgabe des Adaptions-Moduls 104 addiert. Bei einer Ausführung kann das Adaptions-Modul 104 auch die Ausgabe des Summierpunkts 98 über die gestrichelte Verbindung 108a verwenden und die Ausgabe der Zustands-Abschätzung von Block 60 über die gestrichelte Verbindung 108b verwenden.
Die Ausgabe des Summierpunkts 119 wird dem Einspritztreiber 66 zur Verfügung gestellt, der dem Kraftstoffinjektor 30 das Ansteuerungsprofil-Signal wie oben beschrieben bereitstellt. Die Messungen, die die tatsächliche Ratenform repräsentieren, werden von Block 92 dem Interface-Modul 60 bereitgestellt. Wie vorstehend beschrieben können diese Messungen von zahlreichen Sensoren stammen, die Messungen von Rail- oder Akkumulatordruck, HPC-Druck, Piezostapel-Spannung/-Strom, Piezostapel-Feedback-Sensorkraft, Piezo-Ladung, Piezo-Energie, Zylinderdruck, etc. liefern. Das Interface-Modul 60 verarbeitet diese Signale auf die Weise wie in der In-Zyklus Anmeldung beschrieben, um eine Abschätzung der tatsächlichen Ratenform an den Summierpunkt 94 zu liefern.
6 zeigt ein Blockdiagramm, das einen Kontrollalgorithmus 110 gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt. Der Algorithmus 110 umfasst den Summierpunkt 94 (von 5), eine G_FEEDFORWARD Transfer-Funktion 114, eine G_C Transfer-Funktion 116, eine G_ADAPTATION Transfer-Funktion 118, einen Summierpunkt 120 und einen Kombinations-Ertrag (combination gain) und Summierpunkt 122. Der positive Input des Summierpunkts 94 (d.h., die wünschenswerte Ratenform) ist die Ratenform des Inputs von dem Controller 50 von 5. Der negative Input (d.h., die abgeschätzte Ratenform) ist die von dem Interface-Modul 60 von 5 bereitgestellte Abschätzung der tatsächlichen Ratenform. Diese Signale werden an dem Summierpunkt 94 kombiniert, woraus ein Fehlersignal E_T,K resultiert, das der G_C Transferfunktion 116 und der G_ADAPTATION Transferfunktion 118 bereitgestellt wird. Wie in der Zeichnung dargestellt, wird die wünschenswerte Ratenform auch der G_FEEDFORWARD Transferfunktion 114 bereitgestellt. Die Ausgabe der G_FEEDFORWARD Transferfunktion 114 (d.h., U_F) und die Ausgabe der G_C Transferfunktion 116 (d.h., U_C) werden an Summierpunkt 120 kombiniert. Die Ausgabe des Summierpunkts 120 und die Ausgabe der G_ADAPTATION Transferfunktion 118 (i.e., U_A) werden in Punkt 120 kombiniert, um das Gesamtausgangs-Steuerungssignal des Algorithmus 110 zu bilden, U_TOTAL.
Die G_FEEDFORWARD Transferfunktion 114 bildet die Komponente des Steuerungssignal-Ausgangs, U_TOTAL, des Algorithmus 110 mit offener Regelung. Bei Veränderung der Motor-Betriebs-konditionen oder wenn der Controller 50 auch andernfalls die Target-Ratenform modifiziert, stellt die G_FEEDFORWARD Transferfunktion 114 das Signal dem Summierpunkt 120 bereit. Die Ausgabe der G_FEEDFORWARD Transferfunktion 114, U_F, wird somit auf Basis der Betriebskonditionen des Motors 10 vorbestimmt und in einem Speicher (wie etwa in einem Speicher des Controllers 50) als Nachschlagtabelle oder in Form einer Gleichung gesichert. Es sei erwähnt, dass U_F für jedes für die Einspritzung wünschenswertes Einspritzratenprofil eine Tabelle oder ein Vektor ist.
Die G_C Transferfunktion 116 bildet die In-Zyklus Komponente mit geschlossener Regelung des Steuerungssignalausgangs, U_TOTAL, des Algorithmus 110. Auf der Basis des Fehlersignals E_T,K, stellt die G_C Transferfunktion 116 Modifikationen mit geschlossener Regelung des Steuerungssignalausgangs wie in der In-Zyklus Anmeldung beschrieben bereit, die mit der Ausgabe der G_FEEDFORWARD Transferfunktion 114 an Summierpunkt 120 kombiniert werden. In einer Ausführung ist die einfachste Form von U_C gegeben durch: U_C = Gain*Error (U_C = Verstärkung * Fehler). Es sei erwähnt, dass U_C ein Vektor ist und an Summierpunkt 120 Punkt-zu-Punkt zu dem Vektor U_F addiert wird, um den Fehler zwischen der Target-Ratenform und der tatsächlichen Ratenform zu minimieren. Die Form des Signals U_C kann ein PID-Steuerungssignal, eine Entwicklung von Steuerungen auf der Basis von Zustandsraum (State Space), Liapunov-Stabilitätsanalyse, optimaler Regelung (optimal controls), robuster Regelung (robust controls), etc. sein. Die Kalkulation des Fehlers E_T,K könnte eines oder eine Kombination der folgenden Signale verwenden, die von dem Interface-Modul 60 (5) bereitgestellt werden: Injektorkörperdruck oder Hochdruck-Leitungsdruck, piezo/magnetostriktiver Aktuatorspannung/-strom, Sensorkraftfeedback, Aktuatorladung, Energie, Zylinderdruck, etc., entweder in Form des gemessenen Signals oder in abgeschätzter Form.
Die Ausgabe, U_A, der G_ADAPTATION Transferfunktion 114 wird auf Basis des Performance-Index („PI“) oder der Kostenfunktion des aktuellen Zyklus-Fehlers und einer Entwicklung von ähnlichen vorherigen Zyklus-Fehlern kalkuliert. Eine Ausführung des PI wird als der Absolutwert einer Summe von allen Fehlerwerten innerhalb eines ausgewählten interessierenden Zeitfensters für einen beliebigen Zyklus kalkuliert. Beispielsweise für den aktuellen Zyklus, $P I_{K} = \sum_{T = 1}^{n} A b s (E_{T . K}) .$
Für den vorhergehenden Zyklus, $P I_{K - 1} = \sum_{T = 1}^{n} A b s (E_{T . K - 1}),$
und so weiter. In einer anderen Ausführung wird PI als Quadratsumme der Fehlerwerte (oder eines ausgewählten Zeitfensters der Fehlerwerte) für einen beliebigen Zyklus oder einen RMS Wert kalkuliert. In einer derartigen Ausführung, für den aktuellen Zyklus, $P I_{K} = \sum_{T = 1}^{n} E_{T . K}^{2} .$
Für den vorhergehenden Zyklus,
$P I_{K - 1} = \sum_{T = 1}^{n} E_{T . K - 1}^{2},$
und so weiter. Der Algorithmus 110 verwendet den PI zur Bewertung, ob der Fehler von dem vorhergehenden Zyklus auf den aktuellen Zyklus minimiert wird und/oder ob das jeweilige Ansprechverhalten (responses) konvergiert ist. In einer Ausführung, ist die inkrementale Änderung des adaptierten Steuerungs-Input, U_Inc definiert als U_Inc und zwar als U_Inc(current cycle) = AdaptionGain * PI_CurrentCycle * Sign(Error) (deutsch: U_Inc(aktueller Zyklus) = Adaptionsverstärkung * PI_{AktuellerZyklus} * Vorzeichen(Fehler), wobei Adaptation Gain (Adaptionsverstärkung) ein skalarer Multiplikator ist, Performance-Index (PI) bereits oben definiert ist und in einer Ausführung Sign(Error) (Vorzeichen(Fehler)) das positive oder negative Vorzeichen der Fehlerentwicklung $\sum_{T = 1}^{n} (E_{T . K})$
sein kann. In einer Ausführung ist die Anfangs-Ausgabe der G_ADAPTATION Transferfunktion 118 gegeben durch: U_A(1) = 1 + U_Inc(1) = 1 + AdaptionGain * PI₁. Es sei erwähnt, dass U_Inc typischerweise ein kleines Inkrement des Inputs U_A der Adaptions-Steuerung an den Punkt 122 ist und das Maß von U_Inc von der Wahl der Adaptions-Verstärkung abhängt. Es sei auch erwähnt, dass der Algorithmus 110 das Ziel verfolgt den Performance-Index, PI (der in einer Ausführung immer positiv ist) unterhalb eines kalibrierten Grenzwerts für PI zu minimieren. Typischerweise ist der für PI kalibrierte Grenzwert eine kleine Zahl. Nachdem PI unter den Grenzwert reduziert ist (ein Verfahren, das 20 bis 30 Motorzyklen in Anspruch nehmen kann), wird U_A als sein vorhergehender Wert erhalten. Andernfalls erhöht oder erniedrigt die G_ADAPTATION Transferfunktion 118 inkremental U_Inc, um den PI unter den Grenzwert zu treiben. Wenn mit anderen Worten PI des aktuellen Zyklus > dem PI Grenzwert ist, dann ist U_A (Nächster Zyklus) = U_A(vorheriger Zyklus) + U_Inc(Aktueller Zyklus). Ansonsten gilt: U_A(Nächster Zyklus) = U_A(vorheriger Zyklus).
7 zeigt die Leistungsfähigkeit (Performance) eines In-Zyklus Systems mit geschlossener Regelung wie in der In-Zyklus Anmeldung beschrieben in Verbindung mit dem Algorithmus 110 von 6. Ein Vergleich mit 4 zeigt, dass die Piezospannung 80 von dem Algorithmus 110, insbesondere innerhalb des „Boot Regime“ mit dem Resultat einer besseren Korrelation zwischen der tatsächlich eingespritzten Ratenform 82 und der einzuspritzenden Target-Ratenform 84 modifiziert ist.
Während zahlreiche Ausführungen der Erfindung vorstehend dargestellt und beschrieben wurden ist klar, dass die Ausführungen darauf nicht beschränkt sind. Die Ausführungen können nämlich vom Fachmann verändert, abgewandelt und anderweitig angewendet werden. Demzufolge sind diese Ausführungen nicht auf die vorstehend aufgezeigten oder beschriebenen Details beschränkt, sondern umfassen alle derartigen Änderungen und Abwandlungen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2014/55856 [0003]
US 5619969 [0015]
US 5983863 [0015]
US 6199533 [0015]
US 7334741 [0015]
US 13915305 [0015]

Claims

System mit: einem Motor mit einem Kraftstoffinjektor; einem Controller, der zur Erzeugung von Steuerungssignalen, die einem erwünschten Kraftstoffzufuhrprofil eines Kraftstoffeinspritzvorgangs für den Kraftstoffinjektor entsprechen, eingerichtet ist; einem Interface-Modul, das angesprochen von den Steuerungssignalen Ansteuerungsprofil-Signale an den Kraftstoffinjektor ausgibt, um den Kraftstoffinjektor zu veranlassen ein tatsächliches Kraftstoffzufuhrprofil zu liefern, wobei das Interface-Modul angesprochen von einem Parametersignal, das eine Charakteristik des tatsächlichen Kraftstoffzufuhrprofils kennzeichnet, das während eines Zyklus des Kraftstoffeinspritzvorgangs ermittelt ist, die Ansteuerungsprofil-Signale einstellt, um einen Fehler zwischen dem erwünschten Kraftstoffzufuhrprofil und dem tatsächlichen Kraftstoffzufuhrprofil zu reduzieren; und ein Adaptions-Modul, das angesprochen von einem Performance-Index des tatsächlichen Kraftstoffzufuhrprofils, das während wenigstens einem vorhergehenden Zyklus des Kraftstoffeinspritzvorgangs ermittelt wurde, die Ansteuerungsprofil-Signale anpasst, um den Fehler zwischen dem erwünschten Kraftstoffzufuhrprofil und dem tatsächlichen Kraftstoffzufuhrprofil zu reduzieren.
System nach Anspruch 1, wobei der Performance-Index einen absoluten Wert einer Fehlersumme zwischen dem erwünschten Kraftstoffzufuhrprofil und dem tatsächlichen Kraftstoffzufuhrprofil für ein ausgewähltes interessierendes Zeitfenster umfasst.
System nach Anspruch 1, wobei der Performance-Index eine Quadratsumme von Fehlern zwischen dem erwünschten Kraftstoffzufuhrprofil und dem tatsächlichen Kraftstoffzufuhrprofil für ein ausgewähltes interessierendes Zeitfenster umfasst.
System nach Anspruch 1, wobei das Adaptions-Modul eine Adaptionsausgabe erzeugt, die mit den Ansteuerungsprofil-Signalen kombiniert wird, wobei die Adaptionsausgabe für einen aktuellen Zyklus der Adaptionsausgabe für einen vorhergehenden Zyklus entspricht, wenn die Adaptionsausgabe für den aktuellen Zyklus nicht einen Grenzwert überschreitet.
System nach Anspruch 4, wobei das Adaptions-Modul die Adaptionsausgabe für den aktuellen Zyklus um ein Inkrement modifiziert, wenn die Adaptionsausgabe für den aktuellen Zyklus den Grenzwert überschreitet.
System nach Anspruch 1, wobei das Parametersignal zumindest eines aus Folgendem umfasst: einen Zylinderdruck, einen Kraftstoff-Akkumulatordruck und einen Motorkurbelwellenwinkel umfasst.
Steuerungssystem, mit: einem Controller mit einem Ausgang, die ein Steuerungssignal bereitstellt, das eine erwünschte Ratenform eines Kraftstoffeinspritzvorgangs kennzeichnet; einem Interface-Modul mit einem Eingang, der das Steuerungssignal empfängt, mit einem Feedback-Ausgang, der ein Feedback-Signal bereitstellt, das eine tatsächliche Ratenform des Kraftstoffeinspritzvorgangs kennzeichnet, und mit einem Ansteuerungsausgang, der ein Ansteuerungssignal zur Steuerung des Betriebs eines Kraftstoffinjektors bereitstellt; wobei das Ansteuerungssignal eine Komponente mit offener Regelung, die von dem Steuerungssignal erzeugt wird, eine In-Zyklus Komponente mit geschlossener Regelung, die von einem Fehler zwischen dem Steuerungssignal und dem Feedback-Signal während des Kraftstoffeinspritzvorgangs erzeugt wird, und eine Adaptions-Komponente mit geschlossener Regelung umfasst, die von einem Fehler zwischen dem Steuerungssignal und dem Feedback-Signal während eines vorhergehenden Kraftstoffeinspritzvorgangs erzeugt wird.
Steuerungssystem nach Anspruch 7, wobei die Adaptions-Komponente in Reaktion auf einen Performance-Index der tatsächlichen Ratenform während des vorhergehenden Kraftstoffeinspritzvorgangs erzeugt wird.
Steuerungssystem nach Anspruch 8, wobei der Performance-Index einen absoluten Wert einer Fehlersumme zwischen der erwünschten Ratenform und der tatsächlichen Ratenform für ein ausgewähltes interessierendes Zeitfenster umfasst.
Steuerungssystem nach Anspruch 8, wobei der Performance-Index eine Quadratsumme von Fehlern zwischen der erwünschten Ratenform und der tatsächlichen Ratenform für ein ausgewähltes interessierendes Zeitfenster umfasst.
Steuerungssystem nach Anspruch 7, wobei ein Adaptions-Modul die Adaptions-Komponente so erzeugt, dass die Adaptions-Komponente für einen aktuellen Betriebszyklus des Adaptions-Moduls unverändert für einen nächsten Betriebszyklus ist, wenn ein Performance-Index der Adaptions-Komponente für den aktuellen Zyklus nicht ein Kriterium erfüllt.
Steuerungssystem nach Anspruch 11, wobei das Adaptions-Modul die Adaptions-Komponente für einen aktuellen Zyklus um ein Inkrement modifiziert, um die Adaptions-Komponente für den nächsten Zyklus zu erzeugen, wenn der Performance-Index der Adaptions-Komponente für den aktuellen Zyklus das Kriterium erfüllt.
Verfahren, umfassend: Bereitstellung eines Ansteuerungsprofil-Signals an einen Kraftstoffinjektor, um einen Kraftstoffeinspritzvorgang mit einer erwünschten Ratenform zu veranlassen, wobei der Kraftstoffeinspritzvorgang eine Mehrzahl von Zyklen umfasst; Ermittlung eines Fehlersignals für jeden der Mehrzahl von Zyklen, das einen Unterschied zwischen dem Ansteuerungsprofil-Signal und einem Feedback-Signal repräsentiert, das eine tatsächliche Ratenform des Kraftstoffeinspritzvorgangs kennzeichnet; Bereitstellung einer In-Zyklus Anpassung für das Ansteuerungsprofil-Signal für einen aktuellen Zyklus als Reaktion auf das Fehlersignal; und Bereitstellung einer Adaptions-Anpassung für das Ansteuerungsprofil-Signal für den aktuellen Zyklus als Reaktion auf das Fehlersignal und einen Performance-Index des Fehlersignals während eines vorhergehenden Einspritzvorgangs.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Adaptions-Anpassung Null ist, wenn der Performance-Index der tatsächlichen Ratenform während des vorhergehenden Einspritzvorgangs nicht ein Kriterium erfüllt, und die Adaptions-Anpassung ungleich Null ist, wenn der Performance-Index das Kriterium erfüllt.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Bereitstellung einer Adaptions-Anpassung die Ermittlung des Performance-Index umfasst, indem ein absoluter Wert einer Fehlersumme zwischen der erwünschten Ratenform und der tatsächlichen Ratenform für ein ausgewähltes Zeitfenster errechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Bereitstellung einer Adaptions-Anpassung die Ermittlung des Performance-Index umfasst, indem eine Quadratsumme von Fehlern zwischen der erwünschten Ratenform und der tatsächlichen Ratenform für ein ausgewähltes Zeitfenster errechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, außerdem umfassend eine Feedforward-Anpassung des Ansteuerungsprofil-Signals in Reaktion auf Betriebszustände des Kraftstoffinjektors.