EP3371439A1 - Brennkraftmaschine mit einspritzmengensteuerung - Google Patents

Brennkraftmaschine mit einspritzmengensteuerung

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EP3371439A1
EP3371439A1 EP16798617.3A EP16798617A EP3371439A1 EP 3371439 A1 EP3371439 A1 EP 3371439A1 EP 16798617 A EP16798617 A EP 16798617A EP 3371439 A1 EP3371439 A1 EP 3371439A1
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EP
European Patent Office
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injector
liquid fuel
internal combustion
combustion engine
actuator
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP16798617.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Raphael Burgmair
Medy Satria
Dino Imhof
Stephan Laiminger
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Innio Jenbacher GmbH and Co OG
Original Assignee
GE Jenbacher GmbH and Co OHG
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Filing date
Publication date
Application filed by GE Jenbacher GmbH and Co OHG filed Critical GE Jenbacher GmbH and Co OHG
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/40—Engine management systems

Definitions

  • the present invention relates to an internal combustion engine having the features of the preamble of claim 1 and a method having the features of the preamble of claim 13 or 14.
  • a generic internal combustion engine and a generic method are apparent from DE 100 55 192 A1.
  • a method for concentricity control of diesel engines is disclosed, wherein the injection quantity of the injectors associated with the cylinders is corrected by means of a correction factor.
  • the injectors are connected via lines with a collection volume for liquid fuel (which may be formed, for example, as a tank or manifold). Fuel can flow from the injectors to the collecting volume via these lines. A leakage from the injectors can be dissipated via these lines.
  • the problem with the prior art is that the internal combustion engine is not operated at the actually permitted limit for the pollutant emissions to cushion aging or wear phenomena of the injector, but leaves a larger distance to the allowable limit taking into account a deterioration factor.
  • the object of the invention is to provide an internal combustion engine and a method in which over the life of the injector, an operation of the internal combustion engine is closer to the limit for the pollutant emissions possible.
  • the liquid fuel is called diesel. It could also be heavy fuel oil or another auto-ignitable fuel.
  • an adjustable by the control device by means of a control signal actuator is provided, via which for adjusting the ejected via the discharge opening of the injector mass of liquid fuel, the back pressure in the line is adjustable.
  • a plurality of combustion chambers are provided, which are each provided with an injector for liquid fuel.
  • the invention has the advantage that a correction of the applied mass of liquid fuel can be carried out without changing a duration of the actuation of an actuator (eg, a supply duration of a solenoid valve) of a single injector.
  • the invention may be particularly preferably used to compensate injector drift over the life of the injector (resulting from aging, wear and the like) without having to make an individual change in duration of actuation of an actuator of the injector.
  • the control device controls or regulates the injector by means of a Aktuatoran Kunststoffsignals and
  • That a sensor is provided, through which a measured variable of the at least one injector is measurable and wherein the sensor is in signal communication with the control device or can be brought, and
  • an algorithm is stored, which receives as input variables at least the control signal for the actuator and / or the Aktuatoran Kunststoffsignal and the measured values of the sensor and calculates the ejected via the discharge opening of the injector mass of liquid fuel via an injector model and the means of Injector model compares calculated mass of liquid fuel with a desired setpoint of the mass of liquid fuel and adjusts the setting of the back pressure and / or the Aktatoratoran Kunststoffsignals depending on the result of the comparison.
  • the mass of fuel injected instead of the mass of fuel injected, the volume or other quantities characteristic of a particular mass of fuel injected could also be calculated. All of these possibilities are included in the present disclosure using the term "mass”.
  • the algorithm has a feedforward control which calculates from the desired desired value of the mass of liquid fuel a pilot control signal for the actuator for setting the backpressure and / or a pilot control signal for the actuator drive signal for the injection duration.
  • the pilot control for the actuator drive signal ensures a fast system response because it drives the injector with such an injection duration as if there were no injector variability.
  • the feedforward used z. B. an injector map (which, for example, in an actuator designed as a solenoid valve indicates the energization time on the injection mass or volume) or an inverted injector model to convert the setpoint of the injected mass of liquid fuel in the pilot command for the injection duration.
  • About the pilot control of the actuator for the adjustment of the back pressure can be made independent of the actuator adjustment, as z. B. may be necessary for the correction of injector drift.
  • the algorithm may be particularly preferred for the algorithm to have a feedback loop (FB) which, taking into account
  • the injector model calculates the mass of liquid fuel discharged via the discharge opening of the injector and, if necessary, corrects the pilot control command for the actuator and / or the actuator calculated by the precontrol.
  • the feedback loop is used to correct for any inaccuracies in feedforward (due to manufacturing variability, wear, etc.) that cause injector drift.
  • the algorithm comprises an observer using the injector model and taking into account
  • the estimated mass of liquid fuel estimated by the observer may be used in the feedforward control to enhance the actuator drive signal or the control signal to the actuator.
  • the observer can also serve to take into account, with the aid of the injector model, the state of the injector that changes over the life of the injector (eg due to aging or wear) for an improvement of the pilot signal and / or of the actuator drive signal.
  • the injector model at least includes:
  • the injector may have at least:
  • the needle is usually biased against the opening direction by a spring.
  • an injector which manages without control chamber, for example an injector, in which the needle is driven by a piezoelectric element.
  • the at least one measured variable can, for. B. selected from the following sizes or a combination thereof: - Pressure in a common rail of the internal combustion engine
  • the controller may be configured to execute the algorithm during each combustion cycle or selected combustion cycles of the internal combustion engine and to correct, in case of deviations, the actuator drive signal and / or the pilot signal for the actuator during that combustion cycle.
  • control device may be designed to execute the algorithm during each combustion cycle or selected combustion cycles of the internal combustion engine and to correct for deviations the Aktoratoran tenusignal and / or the pilot control signal in one of the subsequent combustion cycles, preferably in the immediately following combustion cycle.
  • control device may be designed to execute the algorithm during each combustion cycle or selected combustion cycles of the internal combustion engine and to statically evaluate the deviations that have occurred and to carry out a correction for this or one of the subsequent combustion cycles as a function of the static evaluation.
  • the invention can preferably be used in a stationary internal combustion engine, for marine applications or mobile applications, such as so-called “non-road mobile machinery” (NRMM), preferably in each case as a reciprocating piston engine Operating compressor systems or with a generator to a gensets for Be coupled generation of electrical energy.
  • the internal combustion engine preferably has a plurality of combustion chambers with corresponding gas supply devices and injectors. The regulation can be done individually for each combustion chamber. Embodiments of the invention will be explained with reference to FIGS. Show it:
  • Fig. 1 shows an embodiment of the control scheme according to the invention
  • FIG. 1 shows an example of a schematically illustrated injector
  • the aim of the injector control is in this embodiment, the regulation of the actually injected mass of liquid fuel to a desired value m d ef out by the injection duration At and / or a back pressure p (which is applied to that line, the injector with a collection volume for liquid fuel connects) is controlled.
  • the rule strategy is done by
  • FF feedforward control
  • FB feedback loop
  • estimate an observer 7
  • the control command At calculated for the injection duration and / or the precontrol calculated control signal ⁇ for the actuator and at least one measured variable y (z B. one of the occurring in the injector pressure curves p IA , p cc , p JC , p AC , p SA or the beginning of lifting the needle from the needle seat) estimated by means of an injector model via the discharge opening of the injector applied mass flow in d of liquid fuel and optionally the one calculated by the feedforward control target value At ff for the injection duration or the counter-pressure Aq> ff by means of correction factors At fb and Aq> fb (which both may be negative) corrected.
  • y z B. one of the occurring in the injector pressure curves p IA , p cc , p JC , p AC , p SA or the beginning of lifting the needle from the needle seat
  • the pilot control ensures a fast system response by means of the actuator drive signal, since it actuates the injector with an injection duration At, as if no injector variability would exist.
  • the feedforward control uses a calibrated injector map (which indicates the duration of the ignition via the injection mass or volume) or the inverted injector model to convert the desired value of the mass m r d ef of liquid fuel into the injection duration for the injection duration command t ff .
  • the feedback loop is used to correct the inaccuracies of feedforward (due to manufacturing variability, wear, etc.) causing injector drift.
  • the feedback loop compares the setpoint value for the injection duration t and / or the backpressure p with the estimated injected mass of liquid fuel in d and gives as feedback a correction control command for the injection duration At fb and / or the backpressure ⁇ 0 , if there is a discrepancy between m d ef and in d there.
  • the addition of At ff and At fb and ⁇ 0 gives the final injection duration At or the final backpressure p.
  • the observer estimates the injected mass in d of liquid fuel as a function of at least one measured variable y and the final injection duration ⁇ t and / or the final counter-pressure p.
  • the at least one measured variable y can refer to: common rail pressure p CR , pressure in the input storage chamber p IA , pressure in the control chamber p cc and start of lifting the needle from the needle seat.
  • the observer uses a reduced injector model to estimate the injected mass of liquid fuel.
  • FIG. 2 shows a block diagram of a reduced injector model.
  • the injector model consists of a structural model of the injector and a system of equations describing the dynamic behavior of the structural model.
  • the structural model consists of five modeled volumes: input storage chamber 1, storage chamber 3, control chamber 2, volume via needle seat and connection volume 5.
  • the input storage chamber 1 represents the summary of all volumes between the inlet throttle and the check valve.
  • the storage chamber 3 provides the summary of all volumes from the check valve to the volume 4 above
  • the volume 4 over the needle seat represents the summary of all volumes between the needle seat to the discharge opening of the injector.
  • the connection volume 5 represents the summary of all volumes, which connects the volumes of the storage chamber 3 and the control chamber 2 with the solenoid valve.
  • the time evolution of the pressure within each of the volumes is calculated based on a combination of the mass conservation rate and the pressure-density characteristic of the liquid fuel.
  • the temporal evolution of the pressure results from:
  • the needle position is calculated using the following equation of motion:
  • a AC effective hydraulic area in the storage chamber 3 in m 2
  • a SA Hydraulic effective area in the small storage chamber 4
  • a cc effective hydraulic area in the control chamber 2 in m 2 Dynamics of the solenoid valve
  • the solenoid valve is modeled by a first order transfer function that converts the valve opening command to a valve position. This is given by:
  • Control chamber 2 in kg / s
  • the so-called observer equations preferably using a per se known observer of the "sliding mode observer" type, by adding to the equations of the injector model the so-called observer law
  • a "sliding mode" observer one obtains the observer law by calculating a hypersurface from the at least one measurement signal and the value resulting from the observer equations by squaring the hypersurface equation to obtain a generalized Ljapunov equation (generalized The observer law is that function which minimizes the functional equation, which can be determined by the well-known variation techniques or numerically, which is done within a combustion cycle for each time step (depending on the time resolution of the regulation).
  • the result is the estimated injected mass of liquid fuel, the position of the needle 6, or one of the pressures in a volume of the injector.

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Abstract

Brennkraftmaschine, mit: - einer Regeleinrichtung, - wenigstens einem Injektor für flüssigen Kraftstoff, wobei der wenigstens eine Injektor über eine Ausbringöffnung für den flüssigen Kraftstoff verfügt, - wobei der wenigstens eine Injektor über eine Leitung für flüssigen Kraftstoff mit einem Sammelvolumen verbunden ist, über welche flüssiger Kraftstoff vom wenigstens einen Injektor zum Sammelvolumen strömen kann, wobei ein durch die Regeleinrichtung mittels eines Steuersignals einstellbares Stellglied (8) vorgesehen ist, über welches zum Einstellen der über die Ausbringöffnung des Injektors ausgebrachten Masse an flüssigem Kraftstoff der Gegendruck (p) in der Leitung einstellbar ist, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine und eines Injektors einer solchen Brennkraftmaschine.

Description

BRENNKRAFTMASCHINE MIT EINSPRITZMENGENSTEUERUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 13 bzw. 14.
Eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine und ein gattungsgemäßes Verfahren gehen aus der DE 100 55 192 A1 hervor. In dieser Schrift ist ein Verfahren zur Rundlaufregelung von Dieselmotoren offenbart, wobei die Einspritzmenge der den Zylindern zugeordneten Injektoren mit Hilfe eines Korrekturfaktors korrigiert wird.
Die Injektoren sind über Leitungen mit einem Sammelvolumen für flüssigen Kraftstoff (welcher z. B. als Tank oder Sammelleitung ausgebildet sein kann) verbunden. Über diese Leitungen kann Kraftstoff von den Injektoren zum Sammelvolumen fließen. Über diese Leitungen kann eine Leckage von den Injektoren abgeführt werden.
Problematisch beim Stand der Technik ist, dass man zur Abfederung von Alterungsoder Abnutzungserscheinungen des Injektors die Brennkraftmaschine nicht am eigentlich erlaubten Limit für die Schadstoffemissionen betreibt, sondern unter Berücksichtigung eines Verschlechterungsfaktors einen größeren Abstand zum erlaubten Limit lässt.
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Brennkraftmaschine und eines Verfahrens, bei welchen über die Lebensdauer des Injektors ein Betrieb der Brennkraftmaschine näher am Limit für die Schadstoffemissionen möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13 bzw. 14 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Als Beispiel für den flüssigen Kraftstoff sei Diesel genannt. Es könnte auch Schweröl oder ein anderer selbstzündfähiger Kraftstoff sein. Gemäß der Erfindung ist ein durch die Regeleinrichtung mittels eines Steuersignals einstellbares Stellglied vorgesehen, über welches zum Einstellen der über die Ausbringöffnung des Injektors ausgebrachten Masse an flüssigem Kraftstoff der Gegendruck in der Leitung einstellbar ist. Dies stellt eine Möglichkeit zur Beeinflussung der ausgebrachten Masse an flüssigem Kraftstoff dar, die alleine oder in Kombination mit anderen Beeinflussungsmöglichkeiten (wie z. B. einer Dauer der Betätigung eines Aktuators des Injektors) vorgesehen sein kann. In der Praxis sind natürlich mehrere Brennräume vorgesehen, die jeweils mit einem Injektor für flüssigen Kraftstoff versehen sind. Die Erfindung hat den Vorteil, dass eine Korrektur der ausgebrachten Masse an flüssigem Kraftstoff ohne Änderung einer Dauer der Betätigung eines Aktuators (z. B. einer Bestromungsdauer eines Solenoidventils) eines einzelnen Injektors vorgenommen werden kann.
Die Erfindung kann besonders bevorzugt eingesetzt werden, um eine Injektordrift über die Lebensdauer des Injektors (welche durch Alterung, Verschleiß und dgl. entsteht) zu kompensieren, ohne eine individuelle Änderung einer Dauer der Betätigung eines Aktuators des Injektors vornehmen zu müssen.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass
- die Regeleinrichtung den Injektor mittels eines Aktuatoransteuersignals ansteuert oder regelt und
- dass ein Sensor vorgesehen ist, durch welchen eine Messgröße des wenigstens einen Injektors messbar ist und wobei der Sensor in Signalverbindung mit der Regeleinrichtung steht oder bringbar ist, und
- dass in der Regeleinrichtung ein Algorithmus abgelegt ist, welcher als Eingangsgrößen zumindest das Steuersignal für das Stellglied und/oder das Aktuatoransteuersignal und die Messwerte des Sensors erhält und über ein Injektormodell den über die Ausbringöffnung des Injektors ausgebrachten Masse an flüssigem Kraftstoff berechnet und die mittels des Injektormodells berechnete Masse an flüssigem Kraftstoff mit einem gewünschten Sollwert der Masse an flüssigem Kraftstoff vergleicht und die Einstellung des Gegendrucks und/oder des Aktuatoransteuersignals in Abhängigkeit des Ergebnisses des Vergleiches vornimmt. Anstelle der Masse an eingespritztem Kraftstoff könnten natürlich auch das Volumen oder andere Größen berechnet werden, welche für eine bestimmte Masse an eingespritztem Kraftstoff charakteristisch sind. Alle diese Möglichkeiten sind in der vorliegenden Offenbarung bei Verwendung des Begriffs„Masse" erfasst.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Algorithmus eine Vorsteuerung aufweist, welche aus dem gewünschten Sollwert der Masse an flüssigem Kraftstoff ein Vorsteuersignal für das Stellglied zum Einstellen des Gegendruckes und/oder ein Vorsteuersignal für das Aktuatoransteuersignal für die Einspritzdauer berechnet.
Die Vorsteuerung für das Aktuatoransteuersignal stellt eine schnelle Systemantwort sicher, da sie den Injektor mit einer solchen Einspritzdauer ansteuert, als ob keine Injektorvariabilität existieren würde. Die Vorsteuerung verwendet z. B. ein Injektorkennfeld (welches beispielsweise bei einem als Solenoidventil ausgebildeten Aktuator die Bestromungsdauer über die Einspritzmasse oder -volumen angibt) oder ein invertiertes Injektormodell um den Sollwert der einzuspritzenden Masse an flüssigem Kraftstoff in den Vorsteuerbefehl für die Einspritzdauer umzuwandeln. Über die Vorsteuerung des Stellglieds für die Einstellung des Gegendrucks kann eine vom Aktuator unabhängige Anpassung erfolgen, wie sie z. B. für die Korrektur einer Injektordrift notwendig sein kann.
Bei einer Ausbildung der Regeleinrichtung mit Vorsteuerung kann besonders bevorzugt vorgesehen sein, dass der Algorithmus eine Rückkopplungsschleife (FB) aufweist, welche unter Berücksichtigung
- des von der Vorsteuerung berechneten Vorsteuersignals für das Stellglied zum Einstellen des Gegendruckes und/oder
- des von der Vorsteuerung berechneten Vorsteuersignals für das Aktuatoransteuersignal für die Einspritzdauer
- sowie der wenigstens einen Messgröße
mittels des Injektormodells die über die Ausbringöffnung des Injektors ausgebrachte Masse an flüssigem Kraftstoff berechnet und ggf. den von der Vorsteuerung berechneten Vorsteuerbefehl für das Stellglied und/oder den Aktuator korrigiert. Die Rückkopplungsschleife wird verwendet, um allfällige Ungenauigkeiten der Vorsteuerung (aufgrund von Herstellungsvariabilitäten, Abnutzung, usw.), welche eine Injektordrift verursachen, zu korrigieren. Bevorzugt weist der Algorithmus einen Beobachter auf, welcher unter Verwendung des Injektormodells und unter Berücksichtigung
- des Steuersignals für das Stellglied und/oder
- des Aktuatoransteuersignals
- sowie der wenigstens einen Messgröße
die eingespritzte Masse an flüssigem Kraftstoff abschätzt.
Eine tatsächliche Messung der eingespritzten Masse an flüssigem Kraftstoff ist daher für die Rückkopplungsschleife nicht erforderlich. Unabhängig davon, ob eine Rückkopplungsschleife vorgesehen ist, kann die vom Beobachter abgeschätzte eingespritzte Masse an flüssigem Kraftstoff in der Vorsteuerung verwendet werden um das Aktuatoransteuersignal oder das Steuersignal für das Stellglied zu verbessern.
Verschiedene mögliche Ausbildungen des Beobachters sind dem Fachmann aus der Literatur bekannt (z. B. Luenberger-Beobachter, Kaiman-Filter, „Sliding Mode" Beobachter, usw.).
Der Beobachter kann auch dazu dienen, mit Hilfe des Injektormodells den sich über die Lebensdauer des Injektors verändernden Zustand des Injektors (z. B. durch Alterung oder Verschleiß) für eine Verbesserung des Vorsteuersignals und/oder des Aktuatoransteuersignals zu berücksichtigen.
Grundsätzlich ist es möglich, das Aktuatoransteuersignal und/oder das Vorsteuersignal für das Stellglied auf Basis des Sollwertes für die eingespritzte Masse an flüssigem Kraftstoff und auf Basis der vom Beobachter abgeschätzten Masse an flüssigem Kraftstoff zu berechnen. Man erhält so ein adaptives, vom Beobachter modifiziertes Vorsteuersignal. In diesem Fall ist die Regelung also nicht zweiteilig aufgebaut, mit einer Vorsteuerung und einer das Vorsteuersignal korrigierenden Rückkopplungsschleife. Es kann vorgesehen sein, dass das Injektormodell wenigstens beinhaltet:
- die Druckverläufe in mit dem flüssigen Kraftstoff gefüllten Volumina des Injektors
- Massenflussraten zwischen den mit dem flüssigen Kraftstoff gefüllten Volumina des Injektors
- eine Position der Nadel, vorzugsweise relativ zum Nadelsitz
- Dynamik des Aktuators der Nadel, vorzugsweise Dynamik eines Solenoidventils
Der Injektor kann wenigstens aufweisen:
- eine mit einer Common-Rail der Brennkraftmaschine verbundene Eingangsspeicherkammer
- eine mit der Eingangsspeicherkammer verbundene Speicherkammer für flüssigen Kraftstoff
- einem mit der Speicherkammer verbundenen Volumen über Nadelsitz
- einem einerseits mit der Speicherkammer und andererseits mit der Leitung verbundenen Verbindungsvolumen
- eine durch eine Nadel verschließbare und mit dem Volumen über Nadelsitz verbundene Ausbringöffnung für flüssigen Kraftstoff
- einen mittels des Aktuatoransteuersignals ansteuerbaren Aktuator, vorzugsweise Solenoidventil, zum Öffnen der Nadel
- vorzugsweise einer einerseits mit der Speicherkammer und andererseits mit dem Verbindungsvolumen verbundenen Steuerkammer
Die Nadel ist üblicherweise entgegen der Öffnungsrichtung durch eine Feder vorgespannt.
Es kann auch ein Injektor vorgesehen sein, der ohne Steuerkammer auskommt, beispielsweise ein Injektor, bei welchem die Nadel durch ein Piezoelement angesteuert wird.
Die wenigstens eine Messgröße kann z. B. ausgewählt sein aus den folgenden Größen oder einer Kombination daraus: - Druck in einer Common-Rail der Brennkraftmaschine
- Druck in einer Eingangsspeicherkammer des Injektors
- Druck in einer Steuerkammer des Injektors
- Beginn des Abhebens der Nadel vom Nadelsitz
Die Regeleinrichtung kann dazu ausgebildet sein, den Algorithmus während jedes Verbrennungszyklus oder ausgewählter Verbrennungszyklen der Brennkraftmaschine auszuführen und bei Abweichungen das Aktuatoransteuersignal und/oder das Vorsteuersignal für das Stellglied während dieses Verbrennungszyklus zu korrigieren.
Alternativ kann die Regeleinrichtung dazu ausgebildet sein, den Algorithmus während jedes Verbrennungszyklus oder ausgewählter Verbrennungszyklen der Brennkraftmaschine auszuführen und bei Abweichungen das Aktuatoransteuersignal und/oder das Vorsteuersignal in einem der nachfolgenden Verbrennungszyklen, bevorzugt im unmittelbar nachfolgenden Verbrennungszyklus, zu korrigieren.
Alternativ oder zusätzlich zu einer der oben genannten Ausführungsformen kann die Regeleinrichtung dazu ausgebildet sein, den Algorithmus während jedes Verbrennungszyklus oder ausgewählter Verbrennungszyklen der Brennkraftmaschine auszuführen und die aufgetretenen Abweichungen statisch auszuwerten und eine Korrektur für diesen oder einen der nachfolgenden Verbrennungszyklen in Abhängigkeit der statischen Auswertung vorzunehmen.
Es ist für die Erfindung nicht unbedingt erforderlich, die Masse an eingespritztem flüssigen Kraftstoff unmittelbar zu messen. Es ist auch nicht erforderlich, unmittelbar aus der wenigstens einen Messgröße auf die tatsächlich eingespritzte Masse an flüssigem Kraftstoff rückzuschließen.
Die Erfindung kann bevorzugt bei einer stationären Brennkraftmaschine, für Marineanwendungen oder mobile Anwendungen wie sogenannte„Non-Road-Mobile- Machinery" (NRMM) - vorzugsweise jeweils als Hubkolbenmaschine - eingesetzt werden. Die Brennkraftmaschine kann als mechanischer Antrieb dienen, z. B. zum Betreiben von Verdichteranlagen oder mit einem Generator zu einem Gensets zur Erzeugung elektrischer Energie gekoppelt sein. Die Brennkraftmaschine weist bevorzugt eine Vielzahl von Brennräumen mit entsprechenden Gaszuführvorrichtungen und Injektoren auf. Die Regelung kann individuell für jeden Brennraum erfolgen. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Regelschemas
Fig. 2 ein Beispiel eines schematisch dargestellten Injektors Fig. 1
Ziel der Injektorregelung ist bei diesem Ausführungsbeispiel die Regelung der tatsächlich eingespritzten Masse an flüssigem Kraftstoff auf einen Sollwert md ef hin, indem die Einspritzdauer At und/oder ein Gegendruck p (welcher an jener Leitung anliegt, die den Injektor mit einem Sammelvolumen für flüssigen Kraftstoff verbindet) gesteuert wird. Die Regelstrategie erfolgt durch
- eine Vorsteuerung (FF), welche aus einem gewünschten Sollwert md ef der Masse an flüssigem Kraftstoff ein Vorsteuersignal Atff (im Folgenden auch als„Steuerbefehl" bezeichnet) für die Einspritzdauer At und/oder ein Vorsteuersignal Aq>ff für das Stellglied berechnet und
- eine Rückkopplungsschleife (FB), welche unter Verwendung eines Beobachters 7 („Estimator") unter Berücksichtigung des von der Vorsteuerung berechneten Steuerbefehls At für die Einspritzdauer und/oder des von der Vorsteuerung berechneten Steuersignals Αφ für das Stellglied und wenigstens einer Messgröße y (z. B. einer der im Injektor auftretenden Druckverläufe pIA, pcc, pJC, pAC, pSA oder der Beginn des Abhebens der Nadel vom Nadelsitz) mittels eines Injektormodells den über die Ausbringöffnung des Injektors ausgebrachten Massenstrom ind an flüssigem Kraftstoff abgeschätzt und ggf. den von der Vorsteuerung berechneten Sollwert Atff für die Einspritzdauer bzw. den Gegendruck Aq>ff mittels Korrekturfaktoren Atfb bzw. Aq>fb (welche beide negativ sein können) korrigiert.
Die Vorsteuerung stellt mittels des Aktuatoransteuersignals eine schnelle Systemantwort sicher, da es den Injektor mit einer Einspritzdauer At ansteuert, als ob keine Injektorvariabilität existieren würde. Die Vorsteuerung verwendet ein kalibriertes Injektorkennfeld (welches Bestromungsdauer über Einspritzmasse oder -volumen angibt) oder das invertierte Injektormodell um den Sollwert der Masse mr d efan flüssigem Kraftstoff in den Vorsteuerbefehl tff für die Einspritzdauer umzuwandeln.
Die Rückkopplungsschleife (FB) wird verwendet um die Ungenauigkeiten der Vorsteuerung (aufgrund von Herstellungsvariabilitäten, Abnutzung, usw.) zu korrigieren, welche eine Injektordrift verursachen. Die Rückkopplungsschleife vergleicht den Sollwert für die Einspritzdauer t und/oder den Gegendruck p mit der abgeschätzten eingespritzten Masse an flüssigem Kraftstoff ind und gibt als Rückkopplung einen Korrektursteuerbefehl für die Einspritzdauer Atfb und/oder den Gegendruck Δφ 0 ab, falls es eine Diskrepanz zwischen md ef und ind gibt. Die Addition von Atff und Atfb und Δφ 0 ergibt die schlussendliche Einspritzdauer At bzw. den schlussendlichen Gegendruck p.
Der Beobachter schätzt die eingespritzte Masse ind an flüssigem Kraftstoff in Abhängigkeit der wenigsten einen Messgröße y und der schlussendlichen Einspritzdauer At und/oder des schlussendlichen Gegendrucks p ab. Die wenigstens eine Messgröße y kann sich beziehen auf: common rail Druck pCR, Druck in der Eingangsspeicherkammer pIA, Druck in der Steuerkammer pcc und Beginn des Abhebens der Nadel vom Nadelsitz . Der Beobachter verwendet ein reduziertes Injektormodell um die eingespritzte Masse an flüssigem Kraftstoff abzuschätzen.
Die Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm eines reduzierten Injektormodells. Das Injektormodell besteht aus einem Strukturmodell des Injektors und einem Gleichungssystem zur Beschreibung des dynamischen Verhaltens des Strukturmodells. Das Strukturmodell besteht aus fünf modellierten Volumina: Eingangsspeicherkammer 1 , Speicherkammer 3, Steuerkammer 2, Volumen über Nadelsitz und Verbindungsvolumen 5.
Die Eingangsspeicherkammer 1 stellt die Zusammenfassung aller Volumina zwischen der Eingangsdrossel und dem Rückschlagventil dar. Die Speicherkammer 3 stellt die Zusammenfassung aller Volumina vom Rückschlagventil bis zum Volumen 4 oberhalb des Nadelsitzes dar. Das Volumen 4 über Nadelsitz stellt die Zusammenfassung aller Volumina zwischen dem Nadelsitz bis zur Ausbringöffnung des Injektors dar. Das Verbindungsvolumen 5 stellt die Zusammenfassung aller Volumina dar, welches die Volumina der Speicherkammer 3 und der Steuerkammer 2 mit dem Solenoidventil verbindet.
Das dynamische Verhalten des Strukturmodells wird durch folgende Gleichungssysteme beschrieben: Druckdynamik
Die zeitliche Entwicklung des Druckes innerhalb jedes der Volumina wird auf Basis einer Kombination des Massenerhaltungssatzes und der Druck-Dichte-Charakteristik des flüssigen Kraftstoffes berechnet. Die zeitliche Entwicklung des Druckes ergibt sich aus:
Verwendete Formelzeichen
pIA : Druck in der Eingangsspeicherkammer 1 in bar
pcc : Druck in der Steuerkammer 2 in bar
Pjc : Druck im Verbindungsvolumen 5 in bar
pAC■ Druck in der Speicherkammer 3 in bar
pSA : Druck in der kleinen Speicherkammer 4 in bar
pIA : Dieselmassendichte innerhalb der Eingangsspeicherkammer
1 in kg/m3
Pcc ■ Dieselmassendichte innerhalb der Steuerkammer 2 in kg/m3
Pjc : Dieselmassendichte innerhalb des Verbindungsvolumens 5
in kg/m3 pAC : Dieselmassendichte innerhalb der Speicherkammer 3 in kg/m3
pSA : Dieselmassendichte innerhalb der kleinen Speicherkammer 4
in kg/m3
Kf : Kompressionsmodul des Dieseltreibstoffs in bar Nadeldynamik
Die Nadelposition wird anhand der folgenden Bewegungsgleichung berechnet:
0 < z < zmax Gl. 2.3 Verwendete Formelzeichen:
z Nadelposition in Metern (m)
zmax. Maximale Auslenkung der Nadel 6 in m
K Federsteifigkeit in N/m
B Federdämpfungskoeffizient in N.s/m
FPRE : Federvorspannung in N
AAC : Hydraulische Wirkfläche in der Speicherkammer 3 in m2
ASA : Hydraulische Wirkfläche in der kleinen Speicherkammer 4
in m2
Acc : Hydraulische Wirkfläche in der Steuerkammer 2 in m2 Dynamik des Solenoidventils
Das Solenoidventil wird durch eine Transferfunktion erster Ordnung modelliert, welche den Ventilöffnungsbefehl in eine Ventilposition umwandelt. Diese ist gegeben durch:
, cmd x
U 7 ma
sol 'sol 'sol Das transiente Systemverhalten wird durch die Zeitkonstante xSOi charakterisiert und die Position der Nadel 6 bei der maximalen Ventil Öffnung ist durch z™fx \ gegeben. Statt einem Solenoidventil ist auch eine piezoelektrische Betätigung möglich.
Massenflussraten
Die Massenflussrate durch jedes Ventil wird aus der Standarddrosselgleichung für Flüssigkeiten berechnet, welche lautet:
min = AinCdinj2pj \pCR - pIA \. sgn(pCR - pIA) Gl. 3.1
= AadCdad^2pj \pcc - pJC \. sgn(pcc - pJC) Gl. 3.4
1 Pout if Pin < Pont
Verwendete Formelzeichen:
rhin : Massenflussdichte über die Eingangsdrossel in kg/s
rhbd : Massenflussrate über das Bypassventil zwischen
Speicherkammer 3 und Verbindungsvolumen 5 in kg/s
rhzd : Massenflussrate über das Speiseventil beim Einlass der
Steuerkammer 2 in kg/s
rhad : Massenflussrate über das Auslassventil der Steuerkammer 2
in kg/s
rhsol: Massenflussrate über das Solenoidventil
in kg/s
rhaci: Massenflussrate über den Einlass der Speicherkammer 3 in kg/s rhann. Massenflussrate über den Nadelsitz in kg/s rhinJ: Massenflussrate über die Injektordüse in kg/s
Auf Basis des oben formulierten Injektormodells erhält der Fachmann mittels des Beobachters in an sich bekannter Weise (siehe z. B. Isermann, Rolf, „Digitale Regelsysteme", Springer Verlag Heidelberg 1977, Kapital 22.3.2, Seite 379 ff. oder F. Castillo et al., „Simultaneous Air Fraction and Low-Pressure EGR Mass Flow Rate Estimation for Diesel Engines", IFAC Joint Conference SSSC - 5th Symposium on System Structure and Control, Grenoble, France 2013) den abgeschätzten Wert ind. Unter Verwendung obiger Gleichungssysteme konstruiert man die sogenannten Beobachtergleichungen („observer equations"), vorzugsweise unter Verwendung eines an sich bekannten Beobachters vom„sliding mode observer" -Typ, indem man zu den Gleichungen des Injektormodells das sogenannte Beobachtergesetz („observer law") hinzufügt. Bei einem „sliding mode" Beobachter erhält man das Beobachtergesetz durch Berechnung einer Hyperfläche („hypersurface") aus dem wenigstens einen Messsignal und jenem Wert, der sich aus den Beobachtergleichungen ergibt. Durch Quadrierung der Gleichung der Hyperfläche erhält man eine verallgemeinerte Ljapunovgleichung (verallgemeinerte Energiegleichung). Dabei handelt es sich um eine Funktionalgleichung. Das Beobachtergesetz ist jene Funktion, welche die Funktionalgleichung minimiert. Diese kann durch die an sich bekannten Variationstechniken oder numerisch bestimmt werden. Dieser Vorgang wird innerhalb eines Verbrennungszyklus für jeden Zeitschritt (abhängig von der zeitlichen Auflösung der Regelung) durchgeführt.
Das Ergebnis ist je nach Anwendung die abgeschätzte eingespritzte Masse flüssigem Kraftstoff, die Position der Nadel 6 oder einer der Drücke in einem Volumina des Injektors.

Claims

Patentansprüche
Brennkraftmaschine, mit:
- einer Regeleinrichtung
- wenigstens einem Injektor für flüssigen Kraftstoff, wobei der wenigstens eine Injektor über eine Ausbringöffnung für den flüssigen Kraftstoff verfügt
- wobei der wenigstens eine Injektor über eine Leitung für flüssigen Kraftstoff mit einem Sammelvolumen verbunden ist, über welche flüssige Kraftstoff vom wenigstens einen Injektor zum Sammelvolumen strömen kann dadurch gekennzeichnet, dass ein durch die Regeleinrichtung mittels eines Steuersignals einstellbares Stellglied (8) vorgesehen ist, über welches zum Einstellen der über die Ausbringöffnung des Injektors ausgebrachten Masse an flüssigem Kraftstoff der Gegendruck (p) in der Leitung einstellbar ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 , wobei
- die Regeleinrichtung den Injektor mittels eines Aktuatoransteuersignals (At) ansteuert oder regelt und
- wobei ein Sensor vorgesehen ist, durch welchen eine Messgröße (y) des wenigstens einen Injektors messbar ist und wobei der Sensor in Signalverbindung mit der Regeleinrichtung steht oder bringbar ist, und
- in der Regeleinrichtung ein Algorithmus abgelegt ist, welcher als Eingangsgrößen zumindest das Steuersignal (Δφ) für das Stellglied und/oder das Aktuatoransteuersignal (At) und die Messwerte (y) des Sensors erhält und über ein Injektormodell den über die Ausbringöffnung des Injektors ausgebrachten Masse an flüssigem Kraftstoff berechnet und die mittels des Injektormodells berechnete Masse an flüssigem Kraftstoff mit einem gewünschten Sollwert {mr d ef) der Masse an flüssigem Kraftstoff vergleicht und die Einstellung des Gegendrucks (p) und/oder des Aktuatoransteuersignals (At) in Abhängigkeit des Ergebnisses des Vergleiches vornimmt.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, wobei der Algorithmus eine Vorsteuerung (FF) aufweist, welche aus dem gewünschten Sollwert {mr d ef) der Masse an flüssigem Kraftstoff ein Vorsteuersignal (Δφ^ ) für das Stellglied (8) zum Einstellen des Gegendruckes (p) und/oder ein Vorsteuersignal (At y ).für das Aktuatoransteuersignal (At) für die Einspritzdauer berechnet.
4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, wobei der Algorithmus eine Rückkopplungsschleife (FB), welche unter Berücksichtigung
- des von der Vorsteuerung berechneten Vorsteuersignals (Δφ) für das Stellglied (8) zum Einstellen des Gegendruckes (p) und/oder
- des von der Vorsteuerung berechneten Aktuatoransteuersignals (At) für die Einspritzdauer
- sowie der wenigstens einen Messgröße (y)
mittels des Injektormodells die über die Ausbringöffnung des Injektors ausgebrachte Masse an flüssigem Kraftstoff berechnet und ggf. den von der Vorsteuerung berechneten Vorsteuerbefehl (Δφ, Δΐ) für das Stellglied (8) und/oder den Aktuator korrigiert.
5. Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Algorithmus einen Beobachter aufweist, welcher unter Verwendung des Injektormodells und unter Berücksichtigung
- des Steuersignals (Δφ) für das Stellglied und/oder
- des Aktuatoransteuersignals (At)
- sowie der wenigstens einen Messgröße (y)
die eingespritzte Masse (md) an flüssigem Kraftstoff abschätzt.
6. Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei das Injektormodell wenigstens beinhaltet:
- die Druckverläufe {pIA, pCc , Pjc, PAC , PSA) in rnit dem flüssigen Kraftstoff gefüllten Volumina des Injektors
- Massenflussraten (r ) zwischen den mit dem flüssigen Kraftstoff gefüllten Volumina des Injektors - eine Position (z) einer Nadel (6), vorzugsweise relativ zum Nadelsitz
- Dynamik eines Aktuators der Nadel, vorzugsweise Dynamik eines Solenoidventils
7. Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Stellglied (8) als Stellventil ausgebildet ist.
8. Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Injektor wenigstens aufweist:
- eine mit einer Common-Rail der Brennkraftmaschine verbundene Eingangsspeicherkammer (1 )
- eine mit der Eingangsspeicherkammer (1 ) verbundene Speicherkammer (3) für flüssigen Kraftstoff
- einem mit der Speicherkammer (3) verbundenen Volumen (4) über Nadelsitz
- einem einerseits mit der Speicherkammer (3) und andererseits mit der Leitung verbundenen Verbindungsvolumen (5)
- eine durch eine Nadel (6) verschließbare und mit dem Volumen (4) über Nadelsitz verbundene Ausbringöffnung für flüssigen Kraftstoff
- einen mittels des Aktuatoransteuersignals ansteuerbaren Aktuator, vorzugsweise Solenoidventil, zum Öffnen der Nadel (6)
- vorzugsweise einer einerseits mit der Speicherkammer (3) und andererseits mit dem Verbindungsvolumen (5) verbundenen Steuerkammer (2)
Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei die wenigstens eine Messgröße ausgewählt ist aus den folgenden Größen oder einer Kombination daraus:
- Druck (pCR ) in einer Common-Rail der Brennkraftmaschine
- Druck (pIA) in einer Eingangsspeicherkammer (1 ) des Injektors
- Druck (pcc) in einer Steuerkammer (2) des Injektors
- Beginn des Abhebens der Nadel (6) vom Nadelsitz
10. Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei die Regeleinrichtung dazu ausgebildet ist, den Algorithmus während jedes Verbrennungszyklus oder ausgewählter Verbrennungszyklen der Brennkraftmaschine auszuführen und bei Abweichungen das Aktuatoransteuersignals (At) und/oder das Steuersignal (Δφ) während dieses Verbrennungszyklus zu korrigieren.
1 1 . Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 10, wobei die Regeleinrichtung dazu ausgebildet ist, den Algorithmus während jedes Verbrennungszyklus oder ausgewählter Verbrennungszyklen der Brennkraftmaschine auszuführen und bei Abweichungen das Steuersignal (Δφ) für das Stellglied (8) in einem der nachfolgenden Verbrennungszyklen, bevorzugt im unmittelbar nachfolgenden Verbrennungszyklus, zu korrigieren.
12. Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 1 1 , wobei die Regeleinrichtung dazu ausgebildet ist, den Algorithmus während jedes Verbrennungszyklus oder ausgewählter Verbrennungszyklen der Brennkraftmaschine auszuführen und die aufgetretenen Abweichungen statisch auszuwerten und eine Korrektur des Steuersignals für das Stellglied (8) für diesen oder einen der nachfolgenden Verbrennungszyklen in Abhängigkeit der statischen Auswertung vorzunehmen.
13. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei einem Brennraum der Brennkraftmaschine flüssiger Kraftstoff zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Brennraum zugeführte Masse an flüssigem Kraftstoff über einen Gegendruck (p) in einer Leitung, welche den Injektor mit einem Sammelvolumen für flüssigen Kraftstoff verbindet, eingestellt wird.
14. Verfahren zum Betreiben eines Injektors, mit welchem Injektor flüssiger Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den Injektor eingespritzte Masse an flüssigem Kraftstoff über einen Gegendruck (p) in einer Leitung, welche den Injektor mit einem Sammelvolumen für flüssigen Kraftstoff verbindet, eingestellt wird.
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