DE10302806A1 - Method for calculating pressure fluctuations in a fuel supply system of an internal combustion engine working with direct fuel injection and for controlling its injection valves - Google Patents
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Abstract
Bei Brennkraftmaschinen mit direkteinspritzenden Kraftstoffeinspritzsystemen kann es zu Druckschwankungen in dem Einspritzsystem kommen, die u. a. den Kraftstoffverbrauch erhöhen und die Abgaseigenschaften verschlechtern. DOLLAR A Durch die Erfindung wird ein Verfahren zur Berechnung von Druckschwankungen in dem Kraftstoffversorgungssystem vorgestellt, auf dessen Grundlage die Einspritzventile des Kraftstoffeinspritzsystems derart ansteuerbar sind, dass die genannten Nachteile nicht auftreten. Dabei nutzt die Erfindung die Kenntnis, dass das Kraftstoffeinspritzsystem als ein geschlossenes Hochdruckhydrauliksystem beschrieben werden kann, welches der Einspritzventilbetätigung als äußere Schwingungsanregungsquelle ausgesetzt ist. Mithilfe der Fourier-Analyse wird die derart angeregte Flüssigkeitsdruckschwingung analysiert und Korrekturwerte berechnet, mit denen der Einspritzzeitpunkt, die Einspritzdauer und/oder das Einspritzvolumen veränderbar sind.In internal combustion engines with direct-injection fuel injection systems, pressure fluctuations in the injection system can occur, which u. a. increase fuel consumption and deteriorate exhaust gas properties. DOLLAR A The invention presents a method for calculating pressure fluctuations in the fuel supply system, on the basis of which the injection valves of the fuel injection system can be controlled in such a way that the disadvantages mentioned do not occur. The invention uses the knowledge that the fuel injection system can be described as a closed high-pressure hydraulic system which is exposed to the injection valve actuation as an external source of vibration excitation. With the aid of the Fourier analysis, the fluid pressure oscillation excited in this way is analyzed and correction values are calculated with which the injection timing, the injection duration and / or the injection volume can be changed.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Berechnung von Druckschwankungen in einem Kraftstoffversorgungssystem einer mit Kraftstoff-Direkteinspritzung arbeitenden Brennkraftmaschine und zur Steuerung derer Einspritzventile gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a method for calculating pressure fluctuations in a fuel supply system an internal combustion engine working with direct fuel injection and to control their injection valves according to the preamble of the claim 1.
Es ist allgemein bekannt, dass Fahrzeuge mit Brennkraftmaschinen mit direkt einspritzenden Kraftstoffversorgungssystemen bei Kunden immer beliebter werden. Dies liegt vor allem daran, dass diese gegenüber herkömmlichen Brennkraftmaschinen einen deutlich geringeren Kraftstoffverbrauch aufweisen. Hinzu kommt bei Diesel-Brennkraftmaschinen, dass der Dieselkraftstoff kostengünstiger und mittlerweile auch als so genannter Bio-Diesel (RME-Diesel) zu erwerben ist, der aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt wird und daher die CO2-Belastung der Erdatmosphäre nicht weiter vergrößert. Bei solchen direkt einspritzenden Kraftstoffversorgungssystemen wird der beste Wirkungsgrad dann erreicht, wenn der Kraftstoffdruck in dem Einspritzsystem einen konstant hohen Wert hat.It is well known that vehicles with internal combustion engines with direct injection fuel supply systems are becoming increasingly popular with customers. This is mainly due to the fact that they have significantly lower fuel consumption than conventional internal combustion engines. In addition, with diesel internal combustion engines, the diesel fuel is cheaper and can now also be purchased as so-called bio-diesel (RME diesel), which is produced from renewable raw materials and therefore does not further increase the CO 2 pollution of the earth's atmosphere. In such direct injection fuel supply systems, the best efficiency is achieved when the fuel pressure in the injection system has a constantly high value.
Bei Diesel-Brennkraftmaschinen kommt neben dem so genannten Pumpe-Düse-Einspritzsystem vor allem das an sich bekannte Common-Rail-Einspritzsystem zum Einsatz. Zumindest für letzteres sind Mehrfacheinspritzverfahren bekannt, mit denen zur Verbesserung der Gemischaufbereitung und des Verbrennungsprozesses die für einen Arbeitsvorgang in einem Motorzylinder benötigte Kraftstoffmenge in beispielsweise drei Teileinspritzvorgängen eingespritzt wird. Dabei verbessert eine Voreinspritzung insbesondere die Gemischaufbereitung und damit das Einsetzen der Verbrennung während der Haupteinspritzung. Eine Nacheinspritzung von Kraftstoff dient abschließend vor allen der Verbesserung des Abgasverhaltens der Brennkraftmaschine.In diesel engines comes in addition to the so-called unit injector system especially the common rail injection system known per se. At least for the latter are known multiple injection methods with which to Improve mixture preparation and the combustion process the for amount of fuel required in one operation in an engine cylinder, for example three partial injections is injected. Pre-injection improves in particular the mixture preparation and thus the onset of combustion while the main injection. A post-injection of fuel is used finally especially the improvement of the exhaust gas behavior of the internal combustion engine.
Insbesondere beim Betreiben von solchen Common-Rail-Einspritzsystemen mit Mehrfacheinspritzverfahren treten während der Einspritzvorgänge Druckwellen in den zu den Einspritzdüsen führenden Leitungen auf, die im ungünstigen Fall den Nominalwert des Einspritzdrucks reduzieren und damit den Wirkungsgrad sowie die Zuverlässigkeit des Einspritzsystems der Brennkraftmaschine negativ beeinflussen. So kann es vorkommen, dass während eines Einspritzvorgangs an der Einspritzdüse der erforderliche Soll-Einspritzdruck nicht zur Verfügung steht und daher bei vorgegebenerer Einspritzdauer nicht die gewünschte Kraftstoffmenge eingespritzt wird. Dabei kann es in Abhängigkeit von der Druckwellenphase sowohl zu einer Überversorgung als auch zu einer Unterversorgung mit Kraftstoff sowie zu unterschiedlichen Einspritzdrücken kommen. Dadurch wird die Antriebsleistung sowie das nominale Abgasverhalten der Brennkraftmaschine verschlechtert.Especially when operating such Common rail injection with multiple injection processes, pressure waves occur during the injection processes in to the injectors leading Lines on the in the unfavorable In this case, reduce the nominal value of the injection pressure and thus the Efficiency and reliability influence the injection system of the internal combustion engine negatively. So it can happen that during of an injection process at the injector the required target injection pressure is not to disposal stands and therefore not injected the desired amount of fuel with a predetermined injection duration becomes. It can be dependent from the pressure wave phase to an oversupply as well as to one Undersupply of fuel and different injection pressures occur. This increases the drive power and the nominal exhaust behavior the internal combustion engine deteriorates.
Zur Lösung dieses Problems ist in
der nicht vorveröffentlichten
Hinzu kommt, dass auch durch alle anderen Betätigungsvorgänge der Einspritzventile des Einspritzsystems Druckwellen erzeugt werden, so dass sich in dem Einspritzsystem eine Vielzahl von Teildruckwellen überlagern. Da zudem die Schallgeschwindigkeit abhängig von der bei diesem Verfahren nicht berücksichtigten Kraftstoffsorte (Sommerdiesel, Winterdiesel, RME-Diesel) sowie der Kraftstofftemperatur ist, wird mit der genannten Regeleinrichtung zur Anpassung der Einspritzdauer einer Kraftstoffteileinspritzung das von den Druckwellen verursachte Problem bei der Kraftstoffversorgung des Zylinders nicht ausreichend gelöst.On top of that, everyone also other operations of the Injectors of the injection system pressure waves are generated so that a large number of partial pressure waves overlap in the injection system. Because the speed of sound also depends on that with this method not considered Type of fuel (summer diesel, winter diesel, RME diesel) and the Fuel temperature is, with the control device mentioned to adjust the injection duration of a partial fuel injection the problem of fuel supply caused by the pressure waves of the cylinder is not sufficiently loosened.
Andere bekannte Vorkehrungen zur Kompensation von Druckwellen in solchen Kraftstoffeinspritzsystemen betreffen Vorrichtungen, wie beispielsweise die Integration von zusätzlichen Kraftstoffspeichern in der Nähe der Einspritzdüsen oder den Einbau von Drosseln zwischen der Zuleitung und den jeweiligen Einspritzdüsen.Other known precautions for Compensation for pressure waves in such fuel injection systems relate to devices such as the integration of additional Fuel storage nearby of the injectors or the installation of chokes between the supply line and the respective Injectors.
In der genannten
Darüber hinaus ist aus der WO 99/47802 ein Verfahren zur Bestimmung der Einspritzzeit bei einer mit Kraftstoff-Direkteinspritzung arbeitenden Brennkraftmaschine bekannt, mit dem die in der Zuleitung zu einem Einspritzventil auftretenden Druckschwankungen während zwei aufeinander folgenden Einspritzvorgängen innerhalb desselben Arbeitsspiels des Zylinders mit einem mathematischen Korrekturterm berücksichtigt werden. Mit dem korrigierten Druckwert werden sodann die Ansteuerzeit für die Einspritzventile verändert, so dass die richtige Kraftstoffmenge eingespritzt wird. Der Korrekturterm wird dabei mittels eines so genannten „Least-Squares-Schätzers" bestimmt, der in Abhängigkeit von den geometrischen Daten des Kraftstoffeinspritzsystems, wie z.B. die Länge der Zuleitung von der gemeinsamen Versorgungsleitung zum Einspritzventil, und den Eigenschaften des Kraftstoffs den wahrscheinlichen Einspritzdruck an der Düse des Einspritzventils schätzt.In addition, WO 99/47802 discloses a method for determining the injection time in an internal combustion engine working with direct fuel injection, with which the pressure fluctuations occurring in the feed line to an injection valve during two successive injection processes within the same working cycle of the cylinder with a mathematical correction term be taken into account. The actuation time for the injection valves is then changed with the corrected pressure value, so that the correct amount of fuel is injected. The correction term is determined using a so-called “Least squares estimator”, which estimates the probable injection pressure at the nozzle of the injection valve as a function of the geometric data of the fuel injection system, such as, for example, the length of the supply line from the common supply line to the injection valve, and the properties of the fuel.
Nachteilig an den bisher bekannten Verfahren oder Vorrichtungen zur Kompensation der Effekte von Druckwellen in den Leitungen von direkt einspritzenden Kraftstoffeinspritzsystemen ist, dass diese erhöhte Vorrichtungskosten verursachen oder nur auf ein ganz bestimmtes Einspritzsystem mit all seinen geometrischen Daten und anderen physikalischen Randbedingungen abgestimmt ist und das gestellte technische Problem daher nur sehr unvollkommen lösen.A disadvantage of the previously known Methods or devices for compensating the effects of pressure waves in the lines of direct injection fuel injection systems is that this increases device costs cause or only with a very specific injection system all of its geometric data and other physical constraints is coordinated and the technical problem posed only very solve imperfectly.
Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe an die Erfindung, ein Verfahren zur Verminderung der Auswirkungen der beschriebenen Druckwellen vorzustellen, mit dem der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine weiter erhöht und die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems aus Brennkraftmaschine und Kraftstoffeinspritzsystem verbessert wird. Dieses Verfahren soll zudem ohne große Änderungen für unterschiedlich dimensionierte Kraftstoffeinspritzsysteme nutzbar sein.Against this background, it is the Object of the invention, a method for reducing the effects to introduce the described pressure waves with which the efficiency the internal combustion engine further increases reliability of the overall system consisting of the internal combustion engine and the fuel injection system is improved. This process is also said to be without major changes for different dimensioned fuel injection systems can be used.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus einem Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnehmbar sind.The solution to this problem results resulting from a method with the features of the main claim, while advantageous Refinements and developments of the invention can be found in the subclaims.
Das erfindungsgemäße Verfahren geht auf die Erkenntnis zurück, dass die in einem direkt einspritzenden Kraftstoffeinspritzsystem auftretenden Kraftstoffdruckschwingungen im eingeschwungenen Zustand zuverlässig mit Hilfe einer Fourier-Analyse beschrieben werden können.The method according to the invention is based on the knowledge back, that the in a direct injection fuel injection system occurring fuel pressure vibrations in the steady state reliable can be described using a Fourier analysis.
Dabei wird zur mathematischen Analyse dieses Schwingungsverhaltens der Druckwelle vorausgesetzt, dass in dem Einspritzsystem keine nichtlinearen Effekte auftreten oder dass bei einem Auftreten von nichtlinearen Effekten diese liniearisierbar sind. Sofern zum Beispiel das dynamische Verhalten der Kraftstoffeinspritzventile linearisierbar ist, so kann auch das Ansteuersignal (Piezosignal) für dieses Ventil zur Fourier-Analyse genutzt werden. Zudem wird davon ausgegangen, dass diesem Signal oder speziell dieser Kraftstoffeinspritzrate eine feste Zeitabhängigkeit zugeordnet ist, weshalb dynamischen Einflüsse der Einspritzmenge als Ergebnis des Betätigens des Einspritzventils außer Betracht bleiben. Die Kraftstoffeinspritzmenge ist in dem nachfolgend entwickelten mathematischen Modell daher einfach proportional vom Betätigungszeitpunkt und der Betätigungsdauer des Einspritzventils. Außerdem wird bei den folgenden Betrachtungen davon ausgegangen, dass die Dynamik des Kraftstoffeinspritzsystems von genau festgelegten Arbeitsbedingungen hinsichtlich Einspritzdruck und Motordrehzahl abhängt.This becomes a mathematical analysis this vibration behavior of the pressure wave provided that no non-linear effects occur in the injection system or that if nonlinear effects occur, they can be linearized are. If, for example, the dynamic behavior of the fuel injection valves can be linearized, the control signal (piezo signal) for this Fourier analysis valve can be used. It is also assumed that this signal or specifically that fuel injection rate a fixed time dependency is assigned, why dynamic influences of the injection quantity as Result of the operation of the injector out of consideration stay. The fuel injection amount is that developed below mathematical model is therefore simply proportional to the time of actuation and the operating time of the injector. Moreover the following considerations assume that the Dynamics of the fuel injection system in terms of precisely defined working conditions Injection pressure and engine speed depend.
Die zeitlichen Schwankungen des Kraftstoffdrucks und damit des Kraftstoffvolumenstroms bei geöffnetem Einspritzventil werden zudem nicht für das gesamte Kraftstoffversorgungssystem, sondern nur für vorgegebene feste Punkte im Bereich der Leitungen sowie für vorgegebene Volumina betrachtet. Diese Punkte sind Knoten in einem eindimensionalen Gitter, das gedanklich in dem Einspritzleitungssystem aufgespannt ist und auf das die Kontinuumgleichungen angewendet werden, um die zeitliche Entwicklung des Systems zu beschreiben. Die für diesen Knotenpunkte angestellten Druckschwingungsanalysen gelten definitionsgemäß auch für alle anderen Orte in dem betrachteten Einspritzsystem.The temporal fluctuations in fuel pressure and thus the fuel volume flow when the injection valve is open also not for the entire fuel supply system, but only for predetermined ones fixed points in the area of the lines as well as for given volumes are considered. These points are nodes in a one-dimensional grid that are conceptual is spanned in the injection line system and the continuum equations be used to describe the temporal development of the system. The for pressure vibration analyzes performed at these nodes apply by definition also for everyone else Locations in the injection system under consideration.
Unter den o.g. Modellvoraussetzungen kann die zeitliche Veränderung des Drucks und/oder des Volumenstroms an den Knotenpunkten beispielsweise in einem Common-Rail-System durch Differentialgleichungen erster Ordnung mit zeitenabhängigen Koeffizienten beschrieben werden. Dabei wird berechtigter Weise davon ausgegangen, dass nach wenigen Arbeitstakten der Brennkraftmaschine ein eingeschwungener Zustand hinsichtlich der Druckschwingungen in dem Kraftstoffverteilungssystem vorliegt, da sich die Einspritzsteuerzeiten und Einspritzmengen bei konstanter Motordrehzahl nicht ändern. Die Dynamik eines solchen diskreten Systems, das bis hier als frei von externen Störungen angenommen wird, kann ganz allgemein als eine Überlagerung von Schwingungen mit unterschiedlichen Frequenzen darstellt werden, wobei jede Frequenz eine Resonanzfrequenz dieses Systems ist.Among the above model requirements can change over time the pressure and / or the volume flow at the nodes, for example in a common rail system by differential equations first Order with time-dependent Coefficients are described. Doing so legitimately assumed that after a few work cycles of the internal combustion engine a steady state in terms of pressure vibrations exists in the fuel distribution system since the injection timing and do not change injection quantities at constant engine speed. The Dynamics of such a discrete system, which so far are free from external interference is generally accepted as a superposition of vibrations are represented with different frequencies, each frequency one Resonance frequency of this system is.
Aufgrund des Öffnens und Schließens der Einspritzventile ist das Kraftstoffeinspritzsystem tatsächlich jedoch nicht als isoliertes System zu betrachten. Vielmehr treten in dem Kraftstoffeinspritzsystem neben den in einem isolierten System typischen Oszillation auch solche auf, die durch die externe Anregung der Ventilbetätigung erzeugt werden.Due to the opening and closing of the Injectors, however, is actually the fuel injection system not to be seen as an isolated system. Rather occur in that Fuel injection system in addition to those typical in an isolated system Oscillation also caused by the external excitation of the valve actuation be generated.
Wenn wie hier die externe Anregung periodisch ist, schwingt wegen der überall in dem Kraftstoffeinspritzsystem präsenten Viskosität des Kraftstoffs auch der Druck des Kraftstoffs nach einer gewissen Anregungszeit um seinen Gleichgewichtswert (also dem statischen Druck) mit der gleichen Periode, wie die äußere Anregungsquelle. Die Zeitabhängigkeit dieser Schwingung kann mit der mathematischen Methode der Fourier-Transformation berechnet werden.If as here the external suggestion is periodic, swings because of that all over the fuel injection system -present viscosity of the fuel also the pressure of the fuel after a certain Excitation time around its equilibrium value (i.e. the static Pressure) with the same period as the external source of excitation. The time dependency This vibration can be done using the Fourier transform mathematical method be calculated.
Demnach wird zur Bestimmung einer Korrektursteuerzeit zur Veränderung des Betätigungszeitpunktes und/oder der Betätigungsdauer eines Einspritzventils in einem direkt einspritzenden Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine zunächst davon ausgegangen, dass das Einspritzsystem als ein nach wenigen Arbeitstakten der Brennkraftmaschine eingeschwungenes Hochdruckhydrauliksystem angesehen werden kann, bei dem die geometrischen Eigenschaften des Einspritzsystems und sowie die Eigenschaften von bestimmten Kraftstoffarten als Konstanten gelten. Zudem wird davon ausgegangen, dass die Betätigung der Einspritzventile eine äußere Anregungsquelle für die Kraftstoffdruckschwingungen in dem Einspritzsystem darstellt.Accordingly, in order to determine a correction control time for changing the actuation time and / or the actuation duration of an injection valve in a direct-injection fuel injection system of an internal combustion engine, it is initially assumed that the injection system is regarded as a high-pressure hydraulic system that has settled after a few work cycles of the internal combustion engine can, in which the geometric properties of the injection system and the properties of certain types of fuel are constants. In addition, it is assumed that the actuation of the injection valves represents an external source of excitation for the fuel pressure oscillations in the injection system.
Zur Bestimmung der in einem solchen Einspritzsystem entstehenden Kraftstoffdruckschwingungen wird die Methode der Transferfunktion angewandt, deren Antwortfunktion die Summe der Amplituden und Phasen der Druckwelle angibt, mit der diese um den Solldruck in dem Kraftstoffversorgungssystem schwingt.To determine in such Injection system resulting fuel pressure fluctuations Method of the transfer function applied, the answer function of which Sum of the amplitudes and phases of the pressure wave with which it indicates oscillates around the target pressure in the fuel supply system.
Die so berechneten Druckschwingungsphasen und Druckschwingungsamplituden werden anschließend mit Sollwerten der Betätigungszeitpunkte, des Kraftstoffeinspritzdrucks und/oder des Einspritzvolumens verglichen. Bei Abweichungen der erreichbaren Istwerte im Vergleich zu den genannten Sollwerten wird sodann aus der Abweichung wenigstens ein Korrekturwert für den ursprünglich vorgesehenen Betätigungszeitpunkt, die ursprünglich vorgesehene Betätigungsdauer und/oder das ursprünglich vorgesehene Einspritzvolumen errechnet. Anschließend wird wenigstens einer der genannten bisherigen Sollwerte durch Anwendung eines Korrekturwertes für den nächsten und/oder alle folgenden Einspritzvorgänge dahingehend verändert, dass eine Kompensation der aus der Kraftstoffdruckschwingung entstehenden Nachteile erreicht wird.The pressure oscillation phases calculated in this way and pressure vibration amplitudes are then compared with target values of the actuation times, the fuel injection pressure and / or the injection volume compared. In the event of deviations in the achievable actual values compared to the above Target values then become at least one correction value from the deviation for the originally intended actuation time, the original intended operating time and / or that originally the intended injection volume is calculated. Then at least one of the previous target values mentioned by applying a correction value for the next and / or changed all subsequent injection processes in such a way that a Compensation for the fuel pressure oscillation Disadvantages is achieved.
Ein konkretes Steuerungsverfahren kann dabei folgende Verfahrensschritte umfassen:A concrete control procedure can include the following procedural steps:
- – Bestimmen von geometrischen Parametern des Einspritzsystems,- Determine of geometric parameters of the injection system,
- – Bestimmen von Eigenschaften des Kraftstoffs,- Determine properties of the fuel,
- – Bestimmen der Zustandsvariablen F(t) der äußeren Anregungsquelle (z.B. Einspritzventilbetätigung; eingespritzte Kraftstoffmenge),- Determine the state variable F (t) of the external excitation source (e.g. injection valve actuation; amount of fuel injected),
- – Fourier-Entwicklung der i-ten Komponente der Zustandsvariablen F(t),- Fourier development the i-th component of the state variable F (t),
- – Berechnen der Amplitude und Phase der Druckschwingung in dem Einspritzsystem durch Anwendung der Fourier-Transformation,- To calculate the amplitude and phase of the pressure oscillation in the injection system by applying the Fourier transform,
- – Korrektur des Einspritzzeitpunktes und/oder der Betätigungsdauer für das jeweilige Einspritzventil derart, dass unter Beachtung der berechneten Amplitude und Phase der Druckschwingung der gewünschte Einspritzdruck und/oder die gewünschte Einspritzmenge für die jeweiligen Einspritzventile eingehalten wird.- Correction the time of injection and / or the duration of actuation for the respective Injector in such a way that taking into account the calculated amplitude and phase of the pressure oscillation the desired injection pressure and / or the desired Injection quantity for the respective injectors are observed.
Die geometrischen Parameter des Einspritzsystems und/oder die Eigenschaften des Kraftstoffs sind dabei vorzugsweise als Konstanten vorgegeben, wenngleich diese auch mittels geeigneter Messvorrichtungen in vorgegebenen Zeitabständen bestimmt werden können.The geometric parameters of the injection system and / or the properties of the fuel are preferred specified as constants, although these can also be determined using suitable Measuring devices can be determined at predetermined time intervals.
Zur Berechnung der Druck- und/oder Volumenstromschwankungen in dem Kraftstoffeinspritzsystem soll X als der Vektor bezeichnet werden, der die Druck- und des Volumenstromwerte an den genannten Knotenpunkten des Einspritzsystems angibt. Die Komponenten Xk von dem Vektor X werden als Zustandsvariablen des Kraftstoffs bezeichnet. Für die Ableitung des Vektors X nach der Zeit gilt dann worin A eine Matrix ist, die die geometrischen Parameter des Systems und die Flüssigkeitseigenschaften des Kraftstoffs angibt, während F(t) der Vektor der Betätigungsverlaufs der Einspritzventile oder speziell betrachtet z.B. der Vektor der eingespritzten Flüssigkeitsmenge an den jeweiligen Einspritzventilen ist.To calculate the pressure and / or volume flow fluctuations in the fuel injection system, X should be referred to as the vector which specifies the pressure and volume flow values at the aforementioned nodes of the injection system. The components X k of the vector X are referred to as state variables of the fuel. The derivation of the vector X over time then applies where A is a matrix indicating the geometric parameters of the system and the liquid properties of the fuel, while F (t) is the vector of the actuation course of the injection valves or, in particular, the vector of the quantity of liquid injected at the respective injection valves.
Die Komponenten von F(t) sind periodische Funktionen und werden als Steuerungsvariablen bezeichnet, die alle die gleiche Periode T aufweisen und in der Regel unterschiedliche Phasenlagen zueinander haben.The components of F (t) are periodic Functions and are referred to as control variables, all of which have the same period T and generally different Have phase relationships to each other.
Die Fourier-Entwicklung der i-ten Komponente von F(t) ist wobei fi (t) als periodische Funktion angesehen werden kann, die auf einen i-ten Einspritzvorgang zurückzuführen ist und in ihre Kosinus- und Sinus-Komponenten zerlegt ist.The Fourier expansion of the i-th component of F (t) is where f i (t) can be viewed as a periodic function which is due to an i-th injection process and is broken down into its cosine and sine components.
Die Fourier-Komponenten der Anregung sind dabei bestimmt durch wobei ti gegebenenfalls benötigt wird, um den Wertebereich des Variabilitätsbereiches von f(t) bis (–T/2, T/2) zu verschieben.The Fourier components of the excitation are determined by where t i may be required to shift the value range of the variability range from f (t) to (–T / 2, T / 2).
Mit der Haupttheorie der linearen
Differentialgleichungen kann gezeigt werden, dass eine sinusförmige Anregung
einer Steuerungsvariablen mit der Frequenz von fn =
n/T bei einem Systemgleichgewicht in der k-ten Komponente Xk von X eine sinusförmige Schwingung mit einer
Amplitude Xk,n und mit einer Phase Φk,n induziert. Dieser Zusammenhang kann ausgedrückt werden
durch:
fn → Xk,n, Φk,n [Gl. 5]The main theory of linear differential equations can be used to show that a sinusoidal excitation of a control variable with the frequency of f n = n / T with a system equilibrium in the kth component X k of X is a sinusoidal oscillation with an amplitude X k, n and with a phase Φ k, n induced. This relationship can be expressed by:
f n → X k, n , Φ k, n [Eq. 5]
Diese Amplituden und Phasen der Schwingungen können zwischen der Steuerungsvariablen und der Zustandsvariablen Xk bei der Frequenz fn mit dem Formalismus der Fourier-Transformation berechnet werden. Die Fourier-Transformation wird dabei immer numerisch berechnet, selbst wenn in bestimmten Fällen ein angenäherter analytischer Ausdruck für bestimmte Variablen oder Konstanten gegeben sein könnte.These amplitudes and phases of the vibrations can be calculated between the control variable and the state variable X k at the frequency f n with the formalism of the Fourier transform. The Fourier transformation is always calculated numerically, even if, in certain cases, an approximate analytical expression could be given for certain variables or constants.
Jede Fourier-Komponente der eingespritzten Strömung induziert auf diese Weise eine Schwingung des Volumenstroms und des Drucks an dem betrachteten Knotenpunkt, deren Phase und Amplitude bekannt sind. Da dieses System linear ist, kann das Zeitverhalten von Xk als die Summe von allen Beiträgen der Fourier-Komponenten der Steuerungsvariablen betrachtet werden.In this way, each Fourier component of the injected flow induces an oscillation of the volume flow and of the pressure at the node in question, the phase and amplitude of which are known. Since this system is linear, the time behavior of X k can be viewed as the sum of all contributions of the Fourier components of the control variables.
Die zeitliche Abhängigkeit Xk(t) des Kraftstoffdrucks und/oder des Volumenstroms an einem Knotenpunkt in dem Einspritzsystem ist daher worin Xk,0 der Gleichgewichtswert von Xk ist und 1 für die Anzahl von Nicht-Null-Komponenten von F steht. Dieser Gleichgewichtswert Xk,0 ist dabei nichts anderes als der statische Druck, unter dem der Kraftstoff in dem Einspritzsystem eingeschlossen ist. Um diesen Gleichgewichtswert des Drucks schwankt die Druckwelle mit den Kosinus- und Sinusanteilen der Anregungsschwingung.The time dependence X k (t) of the fuel pressure and / or the volume flow at a node in the injection system is therefore where X k, 0 is the equilibrium value of X k and 1 stands for the number of non-zero components of F. This equilibrium value X k, 0 is nothing else than the static pressure under which the fuel is enclosed in the injection system. The pressure wave fluctuates around this equilibrium value of the pressure with the cosine and sine components of the excitation oscillation.
Die Werte für X i / k,n und für Φ i / k,n werden aus der Fourier-Transformation zwischen der k-ten Zustandsvariablen und der i-ten Steuerungsvariablen berechnet, während f i / n und Φ i / n die Koeffizienten der Fourier-Transformation der Steuerungsvariablen i sind. Der Wert n gibt die Zahl des bei der Berechnung jeweils berücksichtigten Summanden an. Der Index s sowie der Index c stellen die Koeffizienten der Kosinus- und der Sinusanteile dar.The values for X i / k, n and for Φ i / k, n are derived from the Fourier transformation between the k-th state variables and the i-th control variables are calculated, while f i / n and Φ i / n die Fourier transform coefficients of control variables i are. The value n gives the number of each in the calculation considered Summands on. The index s and the index c represent the coefficients the cosine and of the sine components.
Dabei wird zur mathematischen Analyse dieses Schwingungsverhaltens der Druckwelle vorausgesetzt, dass in dem Einspritzsystem keine nichtlinearen Effekte auftreten oder dass bei einem Auftreten von nichtlinearen Effekten diese liniearisierbar sind. Sofern zum Beispiel das dynamische Verhalten der Kraftstoffeinspritzventile linearisierbar ist, so kann auch das Ansteuersignal (Piezosignal) für dieses Ventil zur Fourier-Analyse genutzt werden. Zudem wird davon ausgegangen, dass diesem Signal oder speziell dieser Kraftstoffeinspritzrate eine feste Zeitabhängigkeit zugeordnet ist, weshalb dynamische Einflüsse der Einspritzmenge als Ergebnis des Betätigens des Einspritzventils außer Betracht bleiben. Die Kraftstoffeinspritzmenge ist in dem verwendeten mathematischen Modell daher einfach proportional vom Betätigungszeitpunkt und der Betätigungsdauer des Einspritzventils. Außerdem wird davon ausgegangen, dass die Dynamik des Kraftstoffeinspritzsystems von genau festgelegten Arbeitsbedingungen hinsichtlich Einspritzdruck und Motordrehzahl abhängt.This becomes a mathematical analysis this vibration behavior of the pressure wave provided that no non-linear effects occur in the injection system or that if nonlinear effects occur, they can be linearized are. If, for example, the dynamic behavior of the fuel injection valves can be linearized, the control signal (piezo signal) for this Fourier analysis valve can be used. It is also assumed that this signal or specifically that fuel injection rate a fixed time dependency is assigned, why dynamic influences of the injection quantity as Result of the operation of the injector except Stay considered. The fuel injection amount is in the used mathematical model is therefore simply proportional to the time of actuation and the operating time of the injector. Moreover it is assumed that the dynamics of the fuel injection system of precisely defined working conditions with regard to injection pressure and engine speed depends.
Mit der beschriebenen mathematischen Funktion [Gl. 6] wurde eine Vergleichsrechnung durchgeführt, mit der die Richtigkeit der Überlegungen dahingehend bestätigt werden konnte, dass sich das Kraftstoffeinspritzsystem im eingeschwungenen Zustand hinsichtlich der dort auftretenden Druckschwingungen durch eine Fourier-Analyse zuverlässig beschreiben lässt. Dabei wurde zunächst ein computergestütztes Simulationssystem Namens „Amesim" mit allen notwenigen Daten über ein zu untersuchendes Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem versorgt, zu denen neben den konkreten geometrischen Angaben zu der Kraftstoffleitungsgeometrie auch die Eigenschaften der Einspritzventile, deren Betätigungsfolgen und Betätigungszeiträume, der Betätigungssolldruck sowie die Eigenschaften des verwendeten Kraftstoffs eingegeben wurden.With the described mathematical function [Eq. 6], a comparative calculation was carried out, with which the correctness of the considerations could be confirmed to the effect that the fuel injection system can be reliably described by a Fourier analysis with regard to the pressure vibrations occurring there. First of all, a computer-based simulation system called "Amesim" with all the necessary data about a common rail fuel to be examined was installed spray system, for which, in addition to the specific geometric information on the fuel line geometry, the properties of the injection valves, their actuation sequences and actuation periods, the actuation set pressure and the properties of the fuel used were entered.
Anschließend wurde mit diesen Daten ein Programmlauf in einem Computer durchgeführt und die errechneten Druckschwankungen im Kraftstoff u.a. in graphischer Form ausgegeben.Subsequently, with this data a program run in a computer and the calculated pressure fluctuations in fuel etc. output in graphic form.
Konkret wurde der analytische Ausdruck
für die
erzwungene Zeitantwort des Drucks und des Volumenstroms auf die
Anregung durch die Einspritzventilbetätigung in einem Computerprogramm
getestet, mit dem eine 4- und eine 3-Zylinder-Brennkraftmaschine mit Common-Rail-Einspritzsystem
simuliert wurde. Der eingespritzte Kraftstoffvolumenstrom Q(t) während einer
Einspritzzyklusdauer T wurde als Treppenfunktion vorgegeben, für die die
folgenden Beziehungen gelten:
Die der Beschreibung beigefügte Zeichnung zeigt inThe drawing attached to the description shows in
Dabei ist in
Während die durchgezogene Druckverlauflinie durch das genannte Simulationssystem „Amesim" errechnet wurde, stellen die einzelnen Messpunkte die Ergebnisse aus der erfindungsgemäßen Druckberechnung mittels der Fourier-Analyse und der Fourier-Transformation dar. Schon der einfache graphische Vergleich zeigt, dass die Berechnungsergebnisse sehr dicht beieinander liegen.While the solid pressure curve was calculated by the simulation system "Amesim", the individual measuring points represent the results from the pressure calculation according to the invention using the Fourier analysis and the Fourier transformation. Even the simple graphic comparison shows that the calculation results are very close together.
Wie gut die Übereinstimmung der berechneten
Druckschwankungen zwischen dem aufwendigen Simulationsprogramm „Amesim" und dem sehr viel
schneller arbeitenden und weniger Einspritzsystemdaten benötigenden
erfindungsgemäßen Verfahren
tatsächlich
ist zeigt
Die vorgeschlagene Methode zur Bestimmung der Druckschwankungen ist mit Vorteil in Steuerungs- und Regelungsverfahren zur Betätigung der Einspritzventile von direkt einspritzenden Kraftstoffeinspritzsystemen nutzbar. Diese Systeme können dabei sowohl Common-Rail- als auch Pumpe-Düse-Einspritzsysteme sein.The proposed method of determination the pressure fluctuations is advantageous in control and regulation processes for actuation of the injection valves of direct injection fuel injection systems available. These systems can both common rail and unit injector systems.
Von besonderem Vorteil bei dem erfindungsgemäßen Berechnungsverfahren ist, dass die Korrektur der Einspritzzeitpunkte analytisch mit einer Formel berechnet werden kann, die eine klare und explizite Abhängigkeit von der Systemgeometrie und der Einspritzcharakteristik enthält. Die Frequenzen, Amplituden und Phasen, die in diesem mathematischen Ausdruck zur Berechnung der Druckschwankungen und für die Einspritzzeitpunkt- und gegebenenfalls Einspritzdauerkorrektur verwendet werden, sind a priori durch das Einspritzsystem vorgegeben und müssen nicht durch ständig wiederholte Messungen bestimmt werden.Of particular advantage in the calculation method according to the invention is that the correction of the injection times is analytical with a Formula can be calculated that has a clear and explicit dependency of the system geometry and the injection characteristics. The Frequencies, amplitudes and phases in this mathematical Printout for calculating the pressure fluctuations and for the injection timing and, if necessary, injection duration correction are used predefined a priori by the injection system and do not have to through constantly repeated measurements can be determined.
Insgesamt ist die Methode sehr schnell und liefert Ergebnisse, die in sehr guter Übereinstimmung mit denen der Standard-Mittel für die Simulation von Hydrauliksystemen zur Verfügung stehen. Daher kann die Berechnungszeit bei der Simulation von Einspritzvorgängen in stationären Arbeitspunkten einer Brennkraftmaschine erheblich reduziert werden.Overall, the method is very quick and delivers results that are in very good agreement with those of Standard means for the simulation of hydraulic systems are available. Therefore, the Calculation time when simulating injection processes in stationary Operating points of an internal combustion engine can be significantly reduced.
Bei ausreichend hoher Rechnerleistung kann diese Berechnung auch mit einem Fahrzeugcomputer beispielsweise bei der ersten Inbetriebnahme oder in vorbestimmten Abständen während des Betriebs des Fahrzeuges erfolgen. In letzterem Fall wird vorzugsweise lediglich die Viskosität des Kraftstoffs festzustellen und ein einmaliger Simulationslauf durchzuführen sein.With sufficiently high computing power can also do this calculation with a vehicle computer, for example at the first commissioning or at predetermined intervals during the Operation of the vehicle. In the latter case it is preferred only the viscosity of the fuel and a one-time simulation run perform his.
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