DE10220388A1 - Nadelhub-Abschätzvorrichtung einer Kraftstoffeinspritzdüse mit gemeinsamer Druckleitung - Google Patents
Nadelhub-Abschätzvorrichtung einer Kraftstoffeinspritzdüse mit gemeinsamer DruckleitungInfo
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Nadelhub-Abschätzvorrichtung einer Einspritzdüse mit gemeinsamer Druckleitung auf Basis einer Solenoidspannung und eines gemessenen Stroms. Außerdem wird durch die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Abschätzen eines Ankerhubs geschaffen, welches folgende Schritte aufweist: Messen eines an ein Solenoid gelieferten Stroms; Abschätzen eines Ankerhubs und einer Ankergeschwindigkeit auf Basis des Stroms des Solenoids und Abschätzen eines Nadelhubs aus einer Zustandsgleichung, die den gemessenen Solenoidstrom, den abgeschätzten Ankerhub und die abgeschätzte Ankergeschwindigkeit als Zustandsgrößen beinhaltet.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Nadelhub-
Abschätzvorrichtung einer Kraftstoffeinspritzdüse mit
gemeinsamer Druckleitung zur Verwendung in einer
Hochgeschwindigkeits-Direkteinspritzungsanlage eines
Dieselmotors. Insbesondere betrifft die Erfindung eine
Nadelhub-Abschätzvorrichtung einer Kraftstoffeinspritzdüse
mit gemeinsamer Druckleitung zur Abschätzung des Nadelhubs
auf Basis einer Solenoidspannung der Kraftstoffeinspritzdüse
und eines gemessenen Stroms.
Im Stand der Technik verwendete Dieselkraftstoff-
Einspritzsysteme verwenden in der Regel eine
nockenangetriebene Vorrichtung zur Erzeugung des
Einspritzdrucks, wobei bei Erhöhung der
Umdrehungsgeschwindigkeit des Nockens der Einspritzdruck und
dementsprechend auch die Menge an eingespritztem Kraftstoff
ansteigt. Eine derartige nockenangetriebene Vorrichtung
arbeitet jedoch nur dann zuverlässig, wenn der Einspritzdruck
niedrig ist.
Außerdem nimmt die Verbreitung des Hochgeschwindigkeits-
Direkteinspritzungsmotors (HSDI = "High Speed Direct
Injection") sowohl bei Personenfahrzeugen als auch bei
Nutzfahrzeugen immer mehr zu, da ein HSDI-Motor im Vergleich
zu einem indirekten Kraftstoffeinspritzmotor weniger
Kraftstoff verbraucht und eine größere Leistung liefert.
In einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit gemeinsamer
Druckleitung, wie sie für einen solchen HSDI-Motor verwendet
wird, sind die Erzeugung des Einspritzdrucks und die
Einspritzung des unter inneren Überdruck gesetzten
Kraftstoffs völlig voneinander getrennt. Zur Trennung der
beiden Funktionen wird ein Hochdruckakkumulator oder eine
Druckleitung zur Aufrechterhaltung eines hohen
Kraftstoffdrucks verwendet.
In einer derartigen Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit
gemeinsamer Druckleitung ist eine mit einem Solenoid
versehene Einspritzdüse an einer Position angeordnet, wo
gemäß dem Stand der Technik ein Düsenhalter angeordnet ist,
und ein hoher Kraftstoffdruck wird mittels einer
Radialkolbenpumpe erzeugt, deren Umdrehungsgeschwindigkeit in
einfacher Weise unabhängig von der Motordrehzahl innerhalb
eines vorbestimmten Bereichs gesteuert wird.
Ein derartiges Kraftstoffeinspritzsystem mit gemeinsamer
Druckleitung schafft hinsichtlich der Konstruktion der
Kraftstoffeinspritzung und dementsprechend auch hinsichtlich
des Verbrennungsmechanismus einen größeren Freiraum, da eine
separate Konstruktion und ein separater Zusammenbau von
Kraftstoffdruck-erzeugenden Vorrichtungen und
Kraftstoffeinspritzvorrichtungen ermöglicht werden kann.
Eine in dem Kraftstoffeinspritzsystem mit gemeinsamer
Druckleitung verwendete Einspritzdüse verwendet ein
Hochgeschwindigkeits- und Hochdruck-Solenoid und regelt
Einspritzzeit, Einspritzperiode und Einspritzrate unter
Verwendung der elektrischen Kräfte des Solenoids. Eine
präzise Steuerung von Einspritzzeit, Einspritzperiode und
Einspritzrate ermöglicht eine Verminderung der Abgasemission
und erhöht die Motoreffizienz. Auf Basis präziser Daten
bezüglich des Nadelhubs können Einspritzzeit,
Einspritzperiode und Einspritzrate genau bestimmt werden.
Gemäß dem Stand der Technik ist zur präzisen Abschätzung des
Nadelhubs ein Sensor in Wirbelstrombauweise verwendet worden.
Bei dem Abschätzverfahren unter Verwendung eines Sensors in
Wirbelstrombauweise wird die Verschiebung einer Spule in
einem magnetischen Feld, welches sich in Reaktion auf die
Verschiebung der Nadel bewegt, in ein spezifisches
elektrisches Signal umgewandelt, und der Nadelhub wird aus
dem elektrischen Signal abgeschätzt.
Außerdem sind Abschätzverfahren mittels eines eine optische
Faser verwendenden optischen Sensors, Abschätzverfahren unter
Verwendung von Ultraschallwellen und Abschätzverfahren in
Kontaktbauweise bekannt. Die bekannten Verfahren schätzen
üblicherweise den Nadelhub mittels eines Sensors ab.
Zur Motorsteuerung sind diverse Motorbetriebsparameter
erforderlich, und dementsprechend sind diverse Arten von
Sensoren zur Detektion der verschiedenen
Motorbetriebsparameter notwendig. Diese Sensoren erhöhen die
Produktionskosten des Motors, wobei insbesondere der Sensor
zur Detektion des Nadelhubs zum Betreiben der
Kraftstoffeinspritzdüse mit gemeinsamer Druckleitung zu einer
signifikanten Erhöhung der Herstellungskosten führt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden eine Nadelhub-
Abschätzvorrichtung für eine Kraftstoffeinspritzdüse mit
gemeinsamer Druckleitung und ein entsprechendes Verfahren
geschaffen, wobei der Nadelhub auf Basis einer
Solenoidspannung und eines gemessenen Stroms ohne die
Notwendigkeit unterschiedlicher Sensoren abgeschätzt werden
kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung weist ein Verfahren zum Abschätzen des Nadelhubs
folgende Schritte auf:
- - Messen eines an ein Solenoid gelieferten Stroms;
- - Abschätzen eines Ankerhubs und einer Ankergeschwindigkeit auf Basis des Stroms des Solenoids; und
- - Abschätzen eines Nadelhubs aus einer Zustandsgleichung, die den gemessenen Solenoidstrom, den abgeschätzten Ankerhub und die abgeschätzte Ankergeschwindigkeit als Zustandsgrößen beinhaltet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung weist eine Nadelhub-
Abschätzvorrichtung einen Beobachter auf, welcher einen
Solenoidstrom misst und einen Ankerhub und eine
Ankergeschwindigkeit abschätzt, wobei der Anker den Druck der
Drucksteuerungskammer regelt. Der Anker bewegt sich infolge
der magnetischen Kraft der Solenoidspule aufwärts und
abwärts, und eine Nadel wird in Reaktion auf die Bewegung des
Ankers derart betätigt, dass die Nadel ein Einspritzloch
öffnet oder schließt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den
beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Dieselmotors mit
Hochgeschwindigkeits-Direkteinspritzung, welcher ein
Einspritzsystem mit gemeinsamer Druckleitung aufweist;
Fig. 2 eine Querschnittsansicht einer Einspritzdüse aus Fig.
1;
Fig. 3 eine magnetische Kraft eines Solenoids in Abhängigkeit
von einem Ankerhub und einem Antriebsstrom der Einspritzdüse
aus Fig. 2;
Fig. 4 eine Modelldarstellung einer Drucksteuerungskammer der
Einspritzdüse aus Fig. 3;
Fig. 5 ein Blockdiagramm einer Nadelhub-Abschätzvorrichtung
gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
Fig. 6a einen Graph zum Vergleich eines abgeschätzten
Nadelhubs gemäß der Nadelhub-Abschätzvorrichtung der
vorliegenden Erfindung mit einem tatsächlich gemessenen
Nadelhub, wenn die Einspritzdauer zwei Millisekunden und der
Leitungsdruck 300 bar betragen;
Fig. 6b einen Graph zum Vergleich eines abgeschätzten
Nadelhubs gemäß der Nadelhub-Abschätzvorrichtung der
vorliegenden Erfindung mit einem tatsächlich gemessenen
Nadelhub, wenn die Einspritzdauer zwei Millisekunden und der
Leitungsdruck 900 bar betragen;
Fig. 6c einen Graph zum Vergleich eines abgeschätzten
Nadelhubs gemäß der Nadelhub-Abschätzvorrichtung der
vorliegenden Erfindung mit einem tatsächlich gemessenen
Nadelhub, wenn die Einspritzdauer eine Millisekunde und der
Leitungsdruck 500 bar betragen; und
Fig. 6d einen Graph zum Vergleich eines abgeschätzten
Nadelhubs gemäß der Nadelhub-Abschätzvorrichtung der
vorliegenden Erfindung mit einem tatsächlich gemessenen
Nadelhub, wenn die Einspritzdauer drei Millisekunden und der
Leitungsdruck 500 bar betragen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird
nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Abbildungen
im Einzelnen erläutert.
Gemäß Fig. 1 weist eine Einspritzvorrichtung mit gemeinsamer
Druckleitung auf: eine Mehrzahl von elektronisch gesteuerten
Einspritzdüsen 40; eine Pumpe 20 zum Liefern eines unter
hohen inneren Überdruck gesetzten Kraftstoffs; eine
gemeinsame Druckleitung 30 zum Liefern des von der Pumpe 20
gelieferten, unter hohen inneren Überdruck gesetzten
Kraftstoffs an die Einspritzdüsen 40; und eine elektronische
Steuerungseinheit 5 (ECU = "Electronic Control Unit"), die
diverse Signale von Sensoren 1a bis 1f, beispielsweise einem
Motordrehzahlsensor, einem Gaspedalsensor, einem
Lufttemperatursensor und einem Kühlmitteltemperatursensor
empfängt und einen Strom an die Einspritzdüse liefert, so
dass ein Einspritzhub geändert wird.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, weist eine Einspritzdüse 40
auf: ein Gehäuse 49, in dessen unterem Abschnitt ein
Einspritzloch 58 ausgebildet ist, durch welches unter inneren
Überdruck gesetzter Kraftstoff eingespritzt wird; eine Nadel
41, die innerhalb des Gehäuses 49 angeordnet und vertikal
derart beweglich ist, dass das Einspritzloch 58 geöffnet oder
geschlossen wird; eine Solenoidspule 45, die innerhalb des
Gehäuses 49 und oberhalb der Nadel 41 angeordnet ist; einen
Anker 47, der zwischen der Solenoidspule 45 und der Nadel 41
angeordnet ist und einen Druck des eingespritzten Kraftstoffs
steuert, wenn er durch die magnetische Kraft bewegt wird, die
in dem Magnetfeld der Solenoidspule 45, an die ein Strom von
der ECU 5 geliefert wird, erzeugt wird.
Eine Feder 56 ist rings um die Nadel 41 derart angeordnet,
dass die Feder 56 infolge der vertikalen Bewegung der Nadel
41 gedehnt oder kontrahiert wird. Eine Öffnung 46 ist
zwischen einem Steuerkolben 43 und dem Anker 47 derart
angeordnet, dass die Öffnung 47 infolge der Hin- und
Herbewegung des Ankers 47 geöffnet und geschlossen wird. Der
in das Gehäuse 49 einströmende Kraftstoff ist zu Beginn in
einer Drucksteuerungskammer 54 gespeichert.
Daher wird, wenn der Anker 47 die Öffnung 46 öffnet, der in
das Gehäuse 49 einströmende Kraftstoff von der Einspritzdüse
40 durch die Öffnung 46 entladen. Andererseits bewegt sich,
wenn der Anker 47 die Öffnung 46 schließt, der in das Gehäuse
49 einströmende Kraftstoff durch eine Führungsleitung 42 zu
dem Einspritzloch 58, wodurch der Druck der
Drucksteuerungskammer abnimmt, so dass sich der Steuerkolben
43 aufwärts bewegt. Infolgedessen öffnet die Nadel 42 das
Einspritzloch, und Kraftstoff wird durch das Einspritzloch 58
eingespritzt.
Im folgenden wird ein dynamisches Modell für die oben
beschriebene Kraftstoffeinspritzdüse mit gemeinsamer
Druckleitung im Detail erläutert.
In einem Einspritzsystem mit gemeinsamer Druckleitung ist die
Kinetik des Kraftstoffeinspritzprozesses sehr kompliziert.
Das Modell für die Einspritzdüse ist unter den folgenden vier
Annahmen abgeleitet worden:
- 1. Das Phänomen der Schwingungserzeugung des Druckes des in die Einspritzdüse gelieferten Kraftstoffs wird vernachlässigt, da der Druck des Kraftstoffes innerhalb der Druckleitung mittels eines elektronischen Steuerungssystems über einen geschlossenen Regelkreis gesteuert wird.
- 2. Ein Druck der Druckakkumulatorkammer ist gleich dem Druck des in die Einspritzdüse gelieferten Kraftstoffs.
- 3. Ein Gegendruck ist gleich dem Atmosphärendruck.
- 4. Der Kraftstoff innerhalb der Steuerungskammer ist kompressibel.
Ein dynamisches Modell der Kraftstoffeinspritzdüse wird als
System mit einem Eingangs-/Ausgangssignal entwickelt, welches
eine Solenoidspulen-Spannung V als Eingangssignal und ein
Solenoid-Antriebsstrom i als Ausgangssignal besitzt, und wird
als nichtlineare Differentialgleichung (1) erster Ordnung mit
sieben Zustandsvariablen formuliert.
wobei i einen Solenoidstrom, xa einen Ankerhub, pa einen
Druck einer Ankerkammer, pc einen Druck der
Drucksteuerungskammer, xp einen Nadelhub und ⚫ (d. h. der
Punkt) die Ableitung nach der Zeit bezeichnet.
Die Spannung V der Solenoidspule kann aus einer Funktion von
Spulenantriebsstrom i und Ankerhub xa mittels des
Kirchhoff'schen Spannungsgesetzes berechnet werden, wie in
Gleichung 2 gezeigt ist.
wobei V die Spannung der Solenoidspule, xa einen Ankerhub, E
die Gegen-Elektromotorische Kraft (Gegen-EMK), L eine
Induktivität der Solenoidspule und R einen Widerstand der
Solenoidspule bezeichnet.
Eine magnetische Kraft der Solenoidspule 45, eine elastische
Kraft der Feder 56 und ein durch die Kraftstoff-
Druckdifferenz bewirkter Druck wirken in erster Linie auf den
Anker 47. Eine Bewegungsgleichung des Ankerhubs kann gemäß
der folgenden Gleichung 3 dargestellt werden.
ma a
= Aa
ΔPi
+ Fmag
- ma
gcosθ - Fsa0
- Fsa
wobei Aa eine Fläche des Ankers, ΔPi eine Differenz zwischen
dem Ankerkammerdruck und dem Atmosphärendruck, Fmag eine
magnetische Kraft des Solenoids, Fsa0 eine ursprüngliche
Federkraft, Fsa eine Federkraft gemäß dem Ankerhub, ma eine
Masse des Ankers, g die Erdbeschleunigung, xa der Ankerhub
und θ ein Befestigungswinkel der Einspritzdüse ist. Die
magnetische Kraft des Solenoids kann aus der folgenden
Gleichung 4 ermittelt werden.
In der obigen Gleichung 4 kann E(i, xa) aus Fmag/i berechnet
werden. Unter Verwendung einer Solenoid-Testvorrichtung wird
ein Test der magnetischen Kraft des Solenoids bezüglich des
Antriebsstroms und des Ankerhubs bei konstantem Strompegel
durchgeführt. Ergebnisse des Tests hinsichtlich der
magnetischen Kraft des Solenoids sind in Fig. 3 gezeigt.
Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, kann eine
Differentialgleichung 5 für den Druck der
Drucksteuerungskammer 54 innerhalb des Gehäuses 49 der
Einspritzdüse mittels Anwendung einer Kontinuitätsgleichung
auf das vereinfachte Modell der Drucksteuerungskammer 54
erhalten werden.
wobei (Vc0-Ap xp) gleich Vc (t) ist, Vc0 ein Anfangsvolumen
der Drucksteuerungskammer 54 ist, Ap eine Fläche des
Steuerkolbens ist, xp einen Hub des Steuerkolbens (d. h. des
dem Nadelventil zugeordneten Steuerkolbens) bezeichnet, ein
volumenometrisches Elastizitätsmodul βf den Wert
besitzt, für eine in die
Drucksteuerungskammer eintretende Strömungsmenge Qi
gilt und für eine eine aus der
Drucksteuerungskammer austretende Strömungsmenge Q0
gilt. Hier bezeichnen Cdi und Cdo
Strömungsmengenkoeffizienten hinsichtlich des Eintritts bzw.
des Austritts aus der Öffnung 46, Ai und Ao
Querschnittsflächen des Eingangs und des Ausgangs der Öffnung
46, Prail einen Druck der gemeinsamen Druckleitung, Pa einen
Druck der Ankerkammer, Pc einen Druck der
Drucksteuerungskammer und ρ eine Dichte des Kraftstoffs.
Der durch die Öffnung 46 hindurchtretende Kraftstoff kehrt zu
einem Kraftstofftank 10 zurück, und der Druck der den Anker
47 aufnehmenden Ankerkammer 52 wird durch den von der
Drucksteuerungskammer 54 einströmenden Kraftstoff bei einem
bestimmten Pegel ausgebildet.
Wenn eine Nadelhub-Steuerungsvorrichtung 100 unter der
Annahme ausgestaltet wird, dass dieser Druck gleich dem
Atmosphärendruck ist, ist die Korrelation zwischen dem
Ankerhub und dem Druck der Drucksteuerungskammer
vernachlässigbar, so dass es unmöglich ist, den Nadelhub aus
dem Ankerhub abzuschätzen. Wenn der Druck der Ankerkammer 52
in dem Einspritzsteuerungsmodell einfach als der Druck der
Drucksteuerungskammer 54 betrachtet wird, wird daher
Gleichung 6 erhalten.
wobei βfa den Wert 12000(1 + 0.6.Pa/600) besitzt, das Volumen
der Ankerkammer Va(t) gleich (Va0 + Aa xa) ist, für eine
Strömungsmenge Qia des in die Ankerkammer eintretenden Stroms
gilt, und für eine Strömungsmenge Qoa
des aus der Ankerkammer austretenden Stroms
gilt.
Der Hub des Steuerkolbens 43 und der Hub der Nadel 41 können
aus Gleichung 7 erhalten werden. Der Steuerkolben 43 und die
Nadel 41 sind beim Einspritzen von Kraftstoff gemäß einer
Druckdifferenz zwischen der Drucksteuerungskammer 54 und der
Druckakkumulatorkammer 48 von Bedeutung, und zu diesem
Zeitpunkt wirkt in erster Linie die Kraft, welche aus der
Kraftdifferenz zwischen der Feder und der Druckdifferenz
resultiert.
wobei (kp(xpf-xp0) eine ursprüngliche Federkraft angibt,
(kpxp) eine dem Nadelhub entsprechende Federkraft ist,
(ApPc) eine dem Druck der Drucksteuerungskammer
entsprechende Kraft bezeichnet, (Prail(An-As)) eine dem Druck der Druckleitung entsprechende Kraft bezeichnet und
((mp + mn)gcosθ eine der Schwerkraft entsprechende Kraft ist.
(kpxp) eine dem Nadelhub entsprechende Federkraft ist,
(ApPc) eine dem Druck der Drucksteuerungskammer
entsprechende Kraft bezeichnet, (Prail(An-As)) eine dem Druck der Druckleitung entsprechende Kraft bezeichnet und
((mp + mn)gcosθ eine der Schwerkraft entsprechende Kraft ist.
Unter den Einspritzmodellen ist die Ankerhubabschätzung zur
Berücksichtigung von nur drei Zustandsgrößen ausgestaltet,
nämlich Ankerstrom, Ankerhub und Ankergeschwindigkeit. Anhand
dieser Werte kann der Ankerhub abgeschätzt werden.
Die Abschätz-Vorrichtung 100 ist gemäß Fig. 5 eine
Vorrichtung zur Durchführung eines mathematischen
Algorithmus, um die Zustandsvariablen unter Verwendung des
Ausgangssignals des Steuerungssystems abzuschätzen.
Vorzugsweise ist gemäß der vorliegenden Erfindung die
Abschätzvorrichtung 100 ein Gleit-Beobachter, welcher Modell-
Aberrationen eines nichtlinearen Systems gemäß Gleichung 8
berücksichtigen kann.
Aus den Gleichungen 1 bis 7 kann die folgende Gleichung 8
erhalten werden.
wobei x1 einen Solenoidstrom, x2 einen Ankerhub, x3 eine
Ankergeschwindigkeit, x4 einen Druck der Ankerkammer, x5
einen Druck der Drucksteuerungskammer, x6 einen Nadelhub und
x7 eine Nadelgeschwindigkeit bezeichnet.
Die Zustandsgrößen des Einspritzmodells können in einer
Zustandsgleichung gemäß Gleichung 9 dargestellt werden.
wobei R ein Widerstand der Solenoidspule, E eine elektrische
Gegenkraft, L eine Induktivität der Solenoidspule, A0 eine
Querschnittsfläche des Ausgangs der Öffnung 46, ka eine
Federkonstante der Ankerfeder, xaf eine freie Länge der
Ankerfeder, Xa0 eine vorbestimmte ursprüngliche Länge der
Ankerfeder, βfa ein volumenometrisches Elastizitätsmodul des
Kraftstoffs innerhalb der Ankerkammer, Va0 ein ursprüngliches
Volumen der Ankerkammer, Aa eine Projektionsfläche der
Ankerkammer, Cdo ein Strömungsmengenkoeffizient in Richtung
des Ausgangs der Öffnung 46, Aoa eine Querschnittsfläche
einer Rückleitung von der Ankerkammer zum Kraftstofftank,
Preturn ein Umkehrdruck, βf ein volumenometrisches
Elastizitätsmodul des Kraftstoffs in der
Drucksteuerungskammer, Vc0 ein ursprüngliches Volumen der
Drucksteuerungskammer, Ap eine Projektionsfläche des Kolbens,
Ai eine Querschnittsfläche des Eingangs der Öffnung 46, Cdi
ein Strömungsmengenkoeffizient in Richtung des Eingangs der
Öffnung 46, Prail ein Druck der Druckleitung, xpf eine freie
Länge der Kolbenfeder, xp0 eine vorbestimmte ursprüngliche
Länge der Kolbenfeder, An eine Projektionsfläche der Nadel,
As eine Projektionsfläche eines Nadelventilsitzes, mp eine
Masse des Kolbens und mn eine Masse der Nadel bezeichnet.
Die Abschätzvorrichtung beinhaltet einen mathematischen
Algorithmus zum Abschätzen der Zustandsgrößen unter
Verwendung des Ausgangssignals des Steuersystems, und wird im
allgemeinen zur sensorlosen Steuerung verwendet. Zur
Abschätzung der Zustandsgrößen eines nichtlinearen Systems
wie des Einspritzsystems ist eine große Anzahl von Zugängen
auf Basis des Luenberger-Beobachters entwickelt worden, wobei
üblicherweise ein Gleit-Beobachter zum Abschätzen der
Zustandsgrößen des nichtlinearen Systems verwendet wird,
welcher die Modell-Abkürzung berücksichtigen kann.
Da ein Ankerhub-Beobachter für das Einspritzmodell mit
Zustandsgrößen als Gleichung 9 formuliert werden kann, wird
ein Gleit-Beobachter mit einem Zustand gemäß Gleichung 10
verwendet.
wobei
H eine Luenberger-Beobachter-
Verstärkung und K eine Gleitverstärkung bezeichnen. Hierbei
ist ein abgeschätzter Wert von .
Der Beobachter unter Verwendung von Gleichung 10 kann
realisiert werden, indem ein Schaltglied zu dem Luenberger-
Beobachter hinzugefügt wird, und die Luenberger-Beobachter-
Vestärkung H und die Gleitverstärkung K werden bestimmt.
Die Luenberger-Beobachter-Verstärkung H wird durch einen
Konstrukteur beliebig bestimmt, wobei insbesondere die
Verstärkung H durch Anordnung der Pole des A-HC zur
Stabilisierung von A-HC und zum Erhalten einer gewünschten
Leistungsfähigkeit bestimmt werden kann.
Aus Gleichung 10 kann die Kürzungsdynamik gemäß Fig. 11
erhalten werden.
Gleichung 12 zeigt eine Gleitfunktion S, die als Differenz
zwischen dem gemessenen Strom und dem abgeschätzten Strom
definiert ist, und Gleichung 13 zeigt eine Gleitbedingung
bezüglich .
Der Wert k1 zur Erfüllung der Gleitbedingung wird durch
Gleichung 14 festgelegt.
k1
< |Δf1
| + |h1
|
wobei Δf1 gleich
ist und
wobei beim Gleiten S gleich Null ist, so dass
wobei beim Gleiten S gleich Null ist, so dass
gilt.
Aus Gleichung 11 bis 14 wird Gleichung 15 erhalten.
Der Wert k3 wird durch Gleichung 16 zur Stabilisierung
festgesetzt.
Hierbei ist Δf3 gleich
Daher konvergiert gemäß
Gleichung 15b, wenn x1 und x3 konvergieren, auch x2, so dass k
gleich Null gesetzt wird.
Die Zustandsgleichung der gemäß den obigen Ergebnissen
ausgestalteten Nadelhub-Abschätzvorrichtung kann gemäß
Gleichung 17 beschrieben werden.
Der Nadelhub wird von dem Strom und dem Nadelhub abgeschätzt,
welche von dem Beobachter unter Verwendung des
Einspritzmodells abgeschätzt werden.
Experimentelle Ergebnisse der Nadelhub-Abschätzvorrichtung
gemäß der vorliegenden Erfindung sind in Fig. 6a bis 6d
dargestellt.
Fig. 6a und 6b zeigen Resultate der Nadelhub-
Abschätzvorrichtung in Abhängigkeit von einer Änderung des
Druckes der Druckleitung.
Fig. 6a zeigt einen Graph zum Vergleich eines abgeschätzten
Nadelhubs gemäß der Nadelhub-Abschätzvorrichtung der
vorliegenden Erfindung mit einem tatsächlich gemessenen
Nadelhub, wenn die Einspritzdauer zwei Millisekunden und der
Leitungsdruck 300 bar beträgt, und Fig. 6b zeigt einen Graph
zum Vergleich eines abgeschätzben Nadelhubs gemäß der
Nadelhub-Abschätzvorrichtung der vorliegenden Erfindung mit
einem tatsächlich gemessenen Nadelhub, wenn die
Einspritzdauer 2 Millisekunden und der Leitungsdruck 900 bar
beträgt.
Fig. 6c und 6d zeigen Ergebnisse der Nadelhub-Abschätzung in
Abhängigkeit von der Betriebsdauer der Einspritzdüse.
Fig. 6c zeigt einen Graph zum Vergleichen eines abgeschätzten
Nadelhubs gemäß der Nadelhub-Abschätzvorrichtung der
vorliegenden Erfindung mit einem tatsächlich gemessenen
Nadelhub, wenn die Einspritzdauer eine Millisekunde und der
Leitungsdruck 500 bar beträgt, und Fig. 6d zeigt einen Graph
zum Vergleichen eines abgeschätzten Nadelhubs gemäß der
Nadelhub-Abschätzvorrichtung der vorliegenden Erfindung mit
einem tatsächlich gemessenen Nadelhub, wenn die
Einspritzdauer drei Millisekunden und der Leitungsdruck 500
bar betragen.
In Fig. 6a bis 6d zeigen die gepunkteten Linien abgeschätzte
Werte der Nadelhub-Abschätzvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung, und die durchgezogenen Linien zeigen die
gemessenen Werte an. Wie in den Figuren gezeigt ist, stimmen
die abgeschätzten Werte und die gemessenen Werte im
wesentlichen überein.
Die Nadelhub-Abschätzvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung kann daher den Nadelhub der Einspritzdüse mit
gemeinsamer Druckleitung ohne Verwendung eines Hubsensors
präzise abschätzen.
Claims (6)
1. Verfahren zum Abschätzen eines Nadelhubs einer
Einspritzdüse (40), mittels derer Kraftstoff durch Bewegung
eines Ankers (47) und einer Nadel (41) infolge der durch ein
Solenoid (45) erzeugten magnetischen Kraft einspritzbar ist,
wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Messen eines an ein Solenoid (45) gelieferten Stroms;
Abschätzen eines Ankerhubs und einer Ankergeschwindigkeit auf Basis des Stroms des Solenoids (45); und
Abschätzen eines Nadelhubs aus einer Zustandsgleichung, die den gemessenen Solenoidstrom, den abgeschätzten Ankerhub und die abgeschätzte Ankergeschwindigkeit als Zustandsgrößen beinhaltet.
Messen eines an ein Solenoid (45) gelieferten Stroms;
Abschätzen eines Ankerhubs und einer Ankergeschwindigkeit auf Basis des Stroms des Solenoids (45); und
Abschätzen eines Nadelhubs aus einer Zustandsgleichung, die den gemessenen Solenoidstrom, den abgeschätzten Ankerhub und die abgeschätzte Ankergeschwindigkeit als Zustandsgrößen beinhaltet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Ankerhub und die
Ankergeschwindigkeit aus den folgenden Gleichungen
abgeschätzt werden:
wobei x2 den Ankerhub bezeichnet, x3 die Ankergeschwindigkeit bezeichnet und Δfi gleich fi(x,u)-fi(
wobei x2 den Ankerhub bezeichnet, x3 die Ankergeschwindigkeit bezeichnet und Δfi gleich fi(x,u)-fi(
,u) ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei im Schritt des
Abschätzens eines Ankerhubs der Ankerhub mittels folgender
Zustandsgleichungen unter Verwendung von Zustandsgrößen
abgeschätzt wird, welche den gemessenen Solenoidstrom, den
abgeschätzten Ankerhub und die abgeschätzte
Ankergeschwindigkeit beinhalten:
wobei R einen Widerstand der Solenoidspule (45), E eine elektrische Gegenkraft, L eine Induktivität, A0 eine Querschnittsfläche eines Ausgangs der Öffnung, ka eine Federkonstante der Ankerfeder, xaf eine freie Länge der Ankerfeder, xa0 eine vorbestimmte ursprüngliche Länge der Ankerfeder, βfa ein volumenometrisches Elastizitätsmodul des Kraftstoffs innerhalb der Ankerkammer, Va0 ein ursprüngliches Volumen der Ankerkammer, Aa eine Projektionsfläche der Ankerkammer, Cdo ein Strömungsmengenkoeffizient in Richtung des Ausgangs der Öffnung, Aoa eine Querschnittsfläche einer Rückleitung von der Ankerkammer zum Kraftstofftank, Preturn ein Umkehrdruck, βf ein volumenometrisches Elastizitätsmodul des Kraftstoffs in der Drucksteuerungskammer, Vc0 ein ursprüngliches Volumen der Drucksteuerungskammer, Ap eine Projektionsfläche des Kolbens, Af eine Querschnittsfläche des Eingangs der Öffnung, Cdi ein Strömungsmengenkoeffizient in Richtung des Eingangs der Öffnung, Prail ein Druck der Druckleitung, xpf eine freie Länge der Kolbenfeder, xp0 eine vorbestimmte ursprüngliche Länge der Kolbenfeder, An eine Projektionsfläche der Nadel, As eine Projektionsfläche eines Nadelventilsitzes, mp eine Masse des Kolbens und mit eine Masse der Nadel bezeichnen.
wobei R einen Widerstand der Solenoidspule (45), E eine elektrische Gegenkraft, L eine Induktivität, A0 eine Querschnittsfläche eines Ausgangs der Öffnung, ka eine Federkonstante der Ankerfeder, xaf eine freie Länge der Ankerfeder, xa0 eine vorbestimmte ursprüngliche Länge der Ankerfeder, βfa ein volumenometrisches Elastizitätsmodul des Kraftstoffs innerhalb der Ankerkammer, Va0 ein ursprüngliches Volumen der Ankerkammer, Aa eine Projektionsfläche der Ankerkammer, Cdo ein Strömungsmengenkoeffizient in Richtung des Ausgangs der Öffnung, Aoa eine Querschnittsfläche einer Rückleitung von der Ankerkammer zum Kraftstofftank, Preturn ein Umkehrdruck, βf ein volumenometrisches Elastizitätsmodul des Kraftstoffs in der Drucksteuerungskammer, Vc0 ein ursprüngliches Volumen der Drucksteuerungskammer, Ap eine Projektionsfläche des Kolbens, Af eine Querschnittsfläche des Eingangs der Öffnung, Cdi ein Strömungsmengenkoeffizient in Richtung des Eingangs der Öffnung, Prail ein Druck der Druckleitung, xpf eine freie Länge der Kolbenfeder, xp0 eine vorbestimmte ursprüngliche Länge der Kolbenfeder, An eine Projektionsfläche der Nadel, As eine Projektionsfläche eines Nadelventilsitzes, mp eine Masse des Kolbens und mit eine Masse der Nadel bezeichnen.
4. Vorrichtung zum Abschätzen eines Nadelhubs eines
Einspritzsystems mit einem Anker (47) zum Regeln eines
Druckes einer Drucksteuerungskammer mittels vertikalen
Bewegens, und einer Nadel (41) zum Öffnen oder Schließen
eines Druckeinspritzloches (58) derart, dass Kraftstoff
entweder eingespritzt oder nicht eingespritzt wird, wobei die
Vorrichtung einen Beobachter zum Messen eines Solenoidstroms
und Abschätzen eines Ankerhubs und einer Ankergeschwindigkeit
aufweist, wobei der Beobachter den Solenoidstrom, den
Ankerhub und die Ankergeschwindigkeit mittels der folgenden
Gleichungen ermittelt:
wobei Δfi gleich fi(x,u)-fi(,u) ist, und wobei der Nadelhub anhand der folgenden Gleichungen abgeschätzt wird:
wobei x1 einen Solenoidstrom, x2 einen Ankerhub, x3 eine Ankergeschwindigkeit, x4 einen Druck der Ankerkammer, x5 einen Druck der Drucksteuerungskammer, x6 einen Nadelhub und x7, eine Nadelgeschwindigkeit bezeichnen.
wobei Δfi gleich fi(x,u)-fi(,u) ist, und wobei der Nadelhub anhand der folgenden Gleichungen abgeschätzt wird:
wobei x1 einen Solenoidstrom, x2 einen Ankerhub, x3 eine Ankergeschwindigkeit, x4 einen Druck der Ankerkammer, x5 einen Druck der Drucksteuerungskammer, x6 einen Nadelhub und x7, eine Nadelgeschwindigkeit bezeichnen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Beobachter ein
Gleit-Beobachter ist, und wobei eine Luenberger-Beobachter-
Verstärkung H und eine Gleitverstärkung K mittels Addieren
eines Schaltterms zu einem Luenberger-Beobachter bestimmt
werden.
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