DE10220388A1 - Nadelhub-Abschätzvorrichtung einer Kraftstoffeinspritzdüse mit gemeinsamer Druckleitung - Google Patents

Nadelhub-Abschätzvorrichtung einer Kraftstoffeinspritzdüse mit gemeinsamer Druckleitung

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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.
Gleichung (1)
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.
Gleichung (2)
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.
Gleichung (3)
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.
Gleichung (4)
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.
Gleichung (5)
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.
Gleichung (6)
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.
Gleichung (7)
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.
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.
Gleichung (8)
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.
Gleichung (9)
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.
Gleichung (10)
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 (11)
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 .
Gleichung (12)
Gleichung (13)
Der Wert k1 zur Erfüllung der Gleitbedingung wird durch Gleichung 14 festgelegt.
Gleichung (14)
k1
< |Δf1
| + |h1
|
wobei Δf1 gleich
ist und
wobei beim Gleiten S gleich Null ist, so dass
gilt.
Aus Gleichung 11 bis 14 wird Gleichung 15 erhalten.
Gleichung (15)
Der Wert k3 wird durch Gleichung 16 zur Stabilisierung festgesetzt.
Gleichung (16)
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.
Gleichung (17)
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.
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(
,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.
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.
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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