DE112018007248T5

DE112018007248T5 - Adaptives hochdruck-kraftstoffpumpensystem und verfahren zum vorhersagen von gepumpter masse

Info

Publication number: DE112018007248T5
Application number: DE112018007248.7T
Authority: DE
Inventors: Tommy J. Albing; David Michael Carey
Original assignee: Cummins Inc
Current assignee: Cummins Inc
Priority date: 2018-04-10
Filing date: 2018-04-10
Publication date: 2020-11-26
Also published as: US11486326B2; US20210156328A1; CN116066276A; US11136935B2; CN112020602A; CN112020602B; US20210396192A1; WO2019199280A1

Abstract

Bereitgestellt wird ein Verfahren zum adaptiven Vorhersagen, bei laufendem Betrieb der Pumpe, einer Kraftstoffmasse („Qpump“), die bei einem Pumpvorgang von der Pumpe zu einem Kraftstoffspeicher gepumpt wird, zum Steuern des Betriebs der Pumpe, das Verfahren umfassend: die Generierung eines adaptiven Betriebsmodells für die Pumpe, umfassend die Schätzung einer „Start-Of-Pumping“- bzw. Pumpbeginn-Position („SOP-Position“) eines Kolbens der Pumpe, die Schätzung von Qpump, die Bestimmung eines konvergierten Werts der geschätzten SOP-Position und die Bestimmung eines konvergierten Werts von der geschätzten Qpump; die Verwendung des adaptiven Modells zur Vorhersage von Qpump, indem der konvergierte Wert der geschätzten SOP-Position, ein gemessener Kraftstoffdruck im Kraftstoffspeicher und eine gemessene Kraftstofftemperatur im Kraftstoffspeicher in das Modell eingegeben werden; und die Steuerung des Betriebs der Pumpe in Reaktion auf die vorhergesagte Qpump.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Kraftstoffpumpen und insbesondere Verfahren und Systeme zum adaptiven Modellieren des Betriebs von Hochdruck-Kraftstoffpumpen, um gepumpte Kraftstoffmasse für Steuerungs- und Diagnose-Applikationen vorherzusagen.
HINTERGRUND
In Verbrennungsmotoren versorgen ein oder mehrere Pumpen einen Kraftstoffspeicher mit Kraftstoff. Kraftstoff wird durch Kraftstoffinjektoren vom Speicher zu Zylindern des Motors gespeist, um zum Antrieb des vom Motor angetriebenen Systems verbrannt zu werden. Es ist aus einer Mehrzahl von Gründen vorteilhaft, die Kraftstoffmenge, die durch die Kraftstoffpumpe dem Speicher zugeführt wird, mit Präzision zu charakterisieren. Bei herkömmlichen Kraftstofffördersystemen wird der Betrieb der Kraftstoffpumpe periodisch charakterisiert, indem die Kraftstoffpumpe abgeschaltet wird und verschiedene Variablen des Kraftstofffördersystems gemessen werden. Ein solcher Ansatz ist störend für den Motorbetrieb und liefert ungenaue Ergebnisse. Somit wird ein verbesserter Ansatz für das Vorhersagen der von der Kraftstoffpumpe gepumpten Kraftstoffmenge bei laufendem Betrieb der Pumpe benötigt.
ZUSAMMENFASSUNG
Gemäß einer Ausführungsform bietet die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum adaptiven Vorhersagen, bei laufendem Betrieb einer Pumpe, einer Kraftstoffmasse („Q_pump“), die bei einem Pumpvorgang von der Pumpe zu einem Kraftstoffspeicher gepumpt wird, zum Steuern des Betriebs der Pumpe, das Verfahren umfassend: die Generierung eines adaptiven Betriebsmodells für die Pumpe, umfassend die Schätzung einer „Start-Of-Pumping“- bzw. Pumpbeginn-Position („SOP-Position“) eines Kolbens der Pumpe, die Schätzung von Q_pump, die Bestimmung eines konvergierten Werts der geschätzten SOP-Position und die Bestimmung eines konvergierten Werts von der geschätzten Q_pump; die Verwendung des adaptiven Modells zum Vorhersagen von Q_pump, indem in das Modell der konvergierte Wert der geschätzten SOP-Position, ein gemessener Kraftstoffdruck im Kraftstoffspeicher und eine gemessene Kraftstofftemperatur im Kraftstoffspeicher eingegeben werden; und die Steuerung des Betriebs der Pumpe in Reaktion auf die vorhergesagte Q_pump. Bei einem Aspekt dieser Ausführungsform umfasst die Schätzung einer SOP-Position: den Empfang von Rohmessungen des Kraftstoffdrucks im Kraftstoffspeicher; die Ermittlung von ruhigen Segmenten in den Rohmessungen; die Anpassung eines Modells an die ermittelten ruhigen Segmente; die Verwendung des angepassten Modells zur Bestimmung eines Outputs (einer Ausgabe), welcher eine Ausbreitung des Kraftstoffdrucks im Kraftstoffspeicher ohne Störungen durch Pumpvorgänge abbildet; und die Ermittlung einer Abweichung zwischen dem angepassten Modelloutput und den Rohmessungen des Kraftstoffdrucks im Kraftstoffspeicher. Bei einer Variante dieses Aspekts umfasst die Ermittlung von ruhigen Segmenten die Filterung der Rohmessungen unter Anwendung eines Medianfilters, dessen Länge einer Oszillationsfrequenz des Kraftstoffdrucks im Kraftstoffspeicher entspricht. Bei einer weiteren Variante wird das Medianfilter auf die Oszillationsfrequenz, eine Schallgeschwindigkeit des Kraftstoffs und eine Geometrie des Kraftstoffspeichers eingestellt. Bei einer noch weiteren Variante umfasst die Ermittlung von ruhigen Segmenten weiter die Auswertung einer Ableitung der gefilterten Rohmessungen zur Ermittlung von Segmenten der Ableitung, deren Steigung ungefähr null ist. Bei einer weiteren Variante umfasst die Anpassung eines Modells an die ermittelten ruhigen Segmente die Anwendung der Relation P=Pmean+a₁ ^(-tζ1)sin(ω₁t+φ₁)+a₂e^(-tζ2)sin(ω₂t+φ₂). Bei einem weiteren Aspekt dieser Ausführungsform umfasst die Schätzung von Q_pump die Berechnung einer Druckdifferenz zwischen einem Mitteldruck vor einem Pumpvorgang und einem Mitteldruck nach einem Pumpvorgang. Bei einer Variante dieses Aspekts umfasst die Schätzung von Q_pump weiter die Umwandlung der berechneten Druckdifferenz in Masse. Bei einem weiteren Aspekt verwendet das adaptive Modell die Relation Qpump = fcam(EOP-SOP)* A * δ(P,T) - t*L(P,T), wobei fcam eine Tabelle ist, die Positionen des Kolbens mit einem Kurbelwinkel eines Motors korreliert, EOP eine „End-Of-Pumping“- bzw. Pumpende-Position des Kolbens ist, A eine Fläche des Kolbens ist, δ(P,T) eine Kraftstoffdichte im Kraftstoffspeicher ist, t eine Dauer des Pumpvorgangs und L(P,T) eine Kraftstoffleckage der Pumpe ist. Bei einer Variante dieses Aspekts wird δ(P,T) durch entweder ein Polynom ersten Grades bezüglich einer Kraftstofftemperaturdimension oder mindestens ein Polynom zweiten Grades bezüglich einer Kraftstoffdruckdimension modelliert. Bei einer weiteren Variante wird L(P,T) durch entweder ein Polynom ersten Grades bezüglich einer Kraftstofftemperaturdimension oder mindestens ein Polynom zweiten Grades bezüglich einer Kraftstoffdruckdimension modelliert. Bei einem weiteren Aspekt umfasst die Steuerung des Pumpenbetriebs die Anpassung eines Zeitpunkts oder einer Dauer des Pumpvorgangs.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird ein System zum adaptiven Vorhersagen, bei laufendem Betrieb einer Pumpe, einer Kraftstoffmasse („Q_pump“), die bei einem Pumpvorgang von der Pumpe zu einem Kraftstoffspeicher gepumpt wird, zum Steuern des Betriebs der Pumpe vorgesehen, das System umfassend: einen zum Messen von Kraftstoffdruck im Kraftstoffspeicher positionierten Drucksensor; einen zum Messen von Kraftstofftemperatur im Kraftstoffspeicher positionierten Temperatursensor; und einen Prozessor, der zum Empfang von Druckwerten, die den gemessenen Druck des Kraftstoffs im Kraftstoffspeicher darstellen, mit dem Drucksensor in Kommunikation steht, und der zum Empfang von Temperaturwerten, die die gemessene Temperatur des Kraftstoffs im Kraftstoffspeicher darstellen, mit dem Temperatursensor in Kommunikation steht; wobei der Prozessor dazu eingerichtet ist: ein adaptives Betriebsmodell für die Pumpe zu generieren, indem er eine Pumpbeginn-Position („SOP-Position“) eines Kolbens der Pumpe schätzt, Q_pump schätzt, einen konvergierten Wert der geschätzten SOP-Position und einen konvergierten Wert von der geschätzten Q_pump bestimmt; das adaptive Modell zur Vorhersage von Q_pump zu verwenden, indem er den konvergierten Wert der geschätzten SOP-Position, einen Druckwert und einen Temperaturwert in das Modell eingibt, und in Reaktion auf die vorhergesagte Q_pump den Betrieb der Pumpe zu steuern. Bei einem Aspekt dieser Ausführungsform ist der Prozessor dazu eingerichtet, die SOP-Position zu schätzen, indem er die Druckwerte empfängt; ruhige Segmente in den Druckwerten ermittelt; ein Modell an die ermittelten ruhigen Segmente anpasst, das angepasste Modell zur Bestimmung eines Outputs verwendet, welcher eine Ausbreitung des Kraftstoffdrucks im Kraftstoffspeicher ohne Störungen durch Pumpvorgänge abbildet, und eine Abweichung zwischen dem angepassten Modelloutput und den Druckwerten ermittelt. Bei einer Variante dieses Aspekts ist der Prozessor dazu eingerichtet, die ruhigen Segmente zu ermitteln, indem er Drucksignale unter Anwendung eines Medianfilters filtert, dessen Länge einer Oszillationsfrequenz des Kraftstoffdrucks im Kraftstoffspeicher entspricht. Bei einer weiteren Variante ist der Prozessor dazu eingerichtet, die ruhigen Segmente zu ermitteln, indem er eine Ableitung der gefilterten Drucksignale auswertet, um Segmente der Ableitung zu ermitteln, deren Steigung ungefähr null ist. Bei einem weiteren Aspekt ist der Prozessor dazu eingerichtet, Q_pump zu schätzen, indem er eine Druckdifferenz zwischen einem Mitteldruck vor einem Pumpvorgang und einem Mitteldruck nach einem Pumpvorgang berechnet. Bei einem noch weiteren Aspekt verwendet das adaptive Modell die Relation Qpump = fcam(EOP-SOP)* A * δ(P,T) - t*L(P,T), wobei fcam eine Tabelle ist, die Positionen des Kolbens mit einem Kurbelwinkel eines Motors korreliert, EOP eine Pumpende-Position des Kolbens ist, A eine Fläche des Kolbens ist, δ(P,T) eine Kraftstoffdichte im Kraftstoffspeicher ist, t eine Dauer des Pumpvorgangs und L(P,T) eine Kraftstoffleckage der Pumpe ist. Bei einer Variante dieses Aspekts wird mindestens eine von δ(P,T) und L(P,T) durch entweder ein Polynom ersten Grades bezüglich einer Kraftstofftemperaturdimension oder mindestens ein Polynom zweiten Grades bezüglich einer Kraftstoffdruckdimension modelliert. Bei einem noch weiteren Aspekt ist der Prozessor dazu eingerichtet, den Betrieb der Pumpe durch die Anpassung eines Zeitpunkts oder einer Dauer des Pumpvorgangs zu steuern.
Während hier mehrere Ausführungsformen offenbart sind, werden dem Fachmann nach der Lektüre der folgenden ausführlichen Beschreibung, welche beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht und erläutert, noch weitere Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung einfallen. Dementsprechend sind die Zeichnungen und die ausführliche Beschreibung als grundsätzlich illustrativ und nicht als einschränkend zu betrachten.
Figurenliste
Die vorstehend erwähnten sowie weitere Merkmale der Offenbarung sowie die Art und Weise ihrer Erreichung werden deutlicher - und die Erfindung an sich besser verstanden - unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung von Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen, welche zeigen:

1 ist eine schematische Darstellung eines Kraftstoffversorgungssystems;
2 ist eine Graphik, die einen gemessenen Raildruck und eine Median-gefilterte Darstellung des gemessenen Raildrucks zeigt;
3 ist eine der 2 ähnliche Graphik, die ruhige Segmente des gemessenen Raildrucks zeigt;
4 ist eine der 3 ähnliche Graphik, die eine Ausgabekennlinie eines Modells gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt;
5 ist eine der 4 ähnliche Graphik, die eine geschätzte Pumpbeginn-Position für eine Kraftstoffpumpe zeigt;
6 ist eine Graphik der Differenz zwischen dem gemessenen Raildruck aus 4 und der Ausgabekennlinie aus 4; und
7 ist eine Graphik, die den Mittelraildruck vor und nach einem Pumpvorgang zeigt.

Auch wenn die vorliegende Offenbarung diverse Modifikationen und alternative Gestaltungsformen miteinschließen kann, werden zu illustrativen Zwecken in den Zeichnungen und der folgenden Beschreibung konkrete Ausführungsformen gezeigt bzw. ausführlich erläutert. Die vorliegende Offenbarung soll die einzelnen beschriebenen Ausführungsformen jedoch nicht einschränken. Im Gegenteil soll die vorliegende Offenbarung jede Änderung, Entsprechung sowie Alternative mitumfassen, die innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche fällt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Der Durchschnittsfachmann wird erkennen, dass die bereitgestellten Ausführungsformen in Hardware, Software, Firmware und/oder eine Kombination davon implementiert werden können. Zum Beispiel bilden die hier beschriebenen Steuergeräte gegebenenfalls einen Teil eines Verarbeitungssubsystems, welches ein oder mehrere Rechengeräte mit Speicher-, Verarbeitungs- und Kommunikationshardware umfasst. Die Steuergeräte können ein einzelnes Gerät oder ein verteiltes Gerät sein, und die Funktionen der Steuergeräte können von Hardware und/oder als Computerbefehle auf einem dauerhaften, maschinenlesbaren Speichermedium ausgeführt werden. Beispielsweise können die Computerbefehle oder der Programmiercode im Steuergerät (z.B. ein elektronisches Steuermodul („Electronic Control Module“, kurz ECM)) in einer beliebigen brauchbaren Programmiersprache wie C, C++, HTML, XTML, JAVA oder einer anderen beliebigen brauchbaren höheren Programmiersprache oder einer Kombination aus einer höheren und einer niedrigeren Programmiersprache implementiert werden.
Nach vorliegendem Gebrauch umfasst das Attribut „ungefähr“ bei einer Verwendung in Verbindung mit einer Größenangabe den angegebenen Wert und hat die vom Zusammenhang gebotene Bedeutung (beispielsweise schließt es mindestens die Fehlerspanne mit ein, die mit der Messung der fraglichen Größe einhergeht). Bei einer Verwendung im Kontext eines Bereiches soll das Attribut „ungefähr“ auch als Offenbarung des Bereichs ausgelegt werden, der von den Absolutwerten der zwei Endpunkten definiert wird. Beispielsweise offenbart der Bereich „von ungefähr 2 bis ungefähr 4“ gleichermaßen den Bereich „von 2 bis 4“.
In 1 wird eine schematische Darstellung eines Teils einer Hochdruckpumpe gezeigt. Die Pumpe 10 umfasst einen Kolben 12, der sich innerhalb eines Pumpzylinders 14 hin- und herbewegt, wie im Stand der Technik bekannt. Kraftstoff wird einer Kammer 16 innerhalb des Pumpzylinders 14 durch einen Einlass 18 zugeführt, anschließend durch die Aufwärtsbewegung des Kolbens 12 verdichtet, so dass der Druck des Kraftstoffs erhöht wird, bevor er durch einen Auslass 20 einem Auslass-Rückschlagventil (ARV) 22 und einem Kraftstoffreservoir wie einem Common-Rail-Speicher (im Folgenden Rail 24) zugeführt wird. Vom Rail 24 wird Kraftstoff von einer Mehrzahl von Kraftstoffinjektoren 25 in eine entsprechende Mehrzahl von Zylindern (nicht gezeigt) eines Verbrennungsmotors (nicht gezeigt) periodisch eingespeist. Ein kleiner umlaufender Zwischenraum 26 ist vorhanden zwischen einer Außenfläche 28 des Kolbens 12 und einer Innenfläche 30 des Pumpzylinders 14, um eine Hin- und Herbewegung des Kolbens 12 innerhalb des Pumpzylinders 14 zu ermöglichen.
Bei seiner Bewegung durch den Pumpzyklus bewegt sich der Kolben 12 zwischen einer „Start-Of-Pumping“- bzw. Pumpbeginn-Position (SOP-Position) und einer „End-Of-Pumping“- bzw. Pumpende-Position (EOP-Position). Die SOP-Position liegt nach der Bewegung des Kolbens 12 durch seinen unteren Totpunkt-Position (UTP-Position), während die EOP-Position vor der oberen Totpunkt-Position (OTP-Position) des Kolbens 12 liegt.
Wie vorstehend erläutert, wird beim Verdichtungshub des Kolbens 12 (d.h. bei der Bewegung von der UTP-Position zur OTP-Position) Kraftstoff in der Kammer 16 verdichtet, womit eine Erhöhung des Drucks in der Kammer 16 bis zu einem Punkt bewirkt wird, an dem die Kraft an der Kammerseite des ARVs 22 der Kraft auf der Railseite des ARVs 22 entspricht. Infolgedessen öffnet sich das ARV 22 und Kraftstoff beginnt, durch den Auslass 20 sowie das ARV 22 zum Rail 24 zu fließen. Kraftstoff fließt weiterhin auf diese Weise zum Rail 24 bei der weiteren Fortbewegung des Kolbens 12 in Richtung der OTP-Position. Dadurch steigt der Kraftstoffdruck im Rail 24. Ein Prozessor 21 empfängt Messungen des Kraftstoffdrucks innerhalb des Rails 24 von einem Drucksensor 23 und der Kraftstofftemperatur innerhalb des Rails 24 von einem Temperatursensor 27. Der Prozessor 21 steuert auch den Betrieb der Injektoren 25 in der hierin beschriebenen Art und Weise.
Die vorliegende Offenbarung stellt ein Modell der Hochdruckpumpe 10 bereit, das unter anderem zum Vorhersagen der Kraftstoffmasse, die von der Pumpe 10 zum Rail 24 gepumpt wird, nützlich ist, wobei eine solche Vorhersage Vorteile für Kraftstoffsteuerungssysteme von der hier beschriebenen Art bietet. Für die Zwecke des Modells wird dabei angenommen, dass beim laufenden Pumpbetrieb der Pumpe 10 Kraftstoff ausschließlich als Versorgungskraftstoff durch den Auslass 20 und das ARV 22 zum Rail 24 und/oder als Leckage durch den Zwischenraum 26 zu einer Rücklaufleitung 32 (welche den Kraftstoff zurück zu einem Kraftstofftank (nicht gezeigt) leitet) fließt. Diese Eigenschaft der Pumpe 10 kann mathematisch durch die folgende Gleichung beschrieben werden: $Q p u m p = f cam (E O P - S O P) * A * δ (P, T) - t * L (P, T)$
wobei Qpump die von der Pumpe 10 zum Rail 24 geförderte Masse ist und fcam ein Polynom oder eine Tabelle ist, die die Beziehung zwischen dem Kurbelwinkel (in Grad) und dem Hub des Kolbens 12 beschreibt. Genauer gesagt steht der Kurbelwinkel der Kurbelwelle in einem direkten Verhältnis zur Position des Kolbens 12 der Pumpe 10, da die Pumpe 10 durch einen Getriebestrang mit der Motorkurbelwelle gekoppelt ist und im Betrieb durch die Rotation der Kurbelwelle angetrieben wird. Somit kann die SOP- und die EOP-Lage durch den Kurbelwinkel wiedergegeben werden. Sobald die SOP-Position bestimmt ist, kann die Hubhöhe des Kolbens 12 (und damit das Hubvolumen der Kammer 16) bei einem Pumpzyklus bestimmt werden, vorausgesetzt dass die Geometrie der Pumpe 10 bekannt ist. Die durch fcam dargestellte Tabelle kann eine Lookup-Tabelle sein, die für eine bestimmte Pumpe 10 spezifisch ist und die den Kurbelwinkel mit der Position des Kolbens 12 korreliert.
(EOP-SOP) gibt den Kurbelwinkel als Gradzahl zwischen der SOP-Position und der EOP-Position an. Dabei ist es wichtig, den Unterschied zwischen der OTP-Position und der EOP-Position zu verstehen. Die OTP-Position liegt dort, wo der Kolben 12 physisch seine oberste Position erreicht, während die EOP-Position am Ende des vom Drucksensor 23 festgestellten Pumphubes liegt. Wie der Fachmann weiß, ist die Beziehung zwischen der OTP-Position und der EOP-Position von der Schallgeschwindigkeit des Kraftstoffs sowie der Geometrie des Hochdrucksystems (d.h. des Rails 24) abhängig.
In der vorstehenden Gleichung (1) ist A die Fläche des Kolbens 12. Die Fläche A zusammen mit fcam(EOP-SOP) bestimmt das Hubvolumen des Kraftstoffs, der zum Rail 24 gepumpt wird. δ(P,T) ist die Dichte des Kraftstoffs, die bezüglich der Dimension T (Kraftstofftemperatur) als ein Polynom ersten Grades und bezüglich der Dimension P (Druck im Rail 24) als ein Polynom zweiten Grades modelliert werden kann. Die Dauer des Pumphubes beim Öffnen vom ARV 22 wird durch t (Zeit) dargestellt. Schließlich wird die Kraftstoffleckage (d.h. zwischen dem Pumpzylinder 14 und dem Kolben 12) durch L(P,T) dargestellt, welche bezüglich der Dimension Tals ein Polynom ersten Grades und bezüglich der Dimension P als ein Polynom eines höheren Grades beschrieben werden kann. Bei bestimmten Ausführungsformen ist es möglich, P^2.5 zu verwenden. Es versteht sich hierbei, dass Kreuzterme zwischen Temperatur und Druck wahrscheinlich sind.
Bei einer Kenntnis der SOP-Position des Kolbens 12 (deren Bestimmung im Folgenden beschrieben wird), des Drucks durch den Drucksensor 23 und der Temperatur durch den Temperatursensor 27, kann das Modell dazu verwendet werden, die geförderte Masse der Pumpe 10 unter jeder Konstellation von Betriebsbedingungen vorherzusagen. Auch wenn nützlich, ist das vorstehend beschriebene Modell auf bekannte Werte für Leckage, Kraftstoffdichte und EOP-Position angewiesen. Leider variiert die Leckage mit Variationen zwischen Bauteilen (z.B. dem Kolben 12 und dem Pumpzylinder 14) sowie mit der Abnutzung der Bauteile im Laufe der Zeit. Die Kraftstoffdichte ist unterschiedlich für verschiedene Kraftstoffarten und -quellen. Zudem ist die EOP-Position für eine bestimmte Pumpe 10 an einem bestimmten Motor meistens nicht bekannt. Gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung kann das Pumpmodell adaptiv gemacht werden, indem die unbekannten Variablen unter Anwendung eines erweiterten Kalman-Filters geschätzt werden.
Wie vorstehend erläutert, versorgen der Raildrucksensor 23 und der Railtemperatursensor 27 den Prozessor 21 mit Messungen des Kraftstoffdrucks im Rail 24 bzw. der Kraftstofftemperatur im Rail 24. Zusätzlich zu diesen Eingaben erfordert das vorgenannte adaptive Pumpmodell Schätzungen zur SOP-Position und zu Qpump. Wie vorstehend erläutert, kann die SOP-Position vom Zeitpunkt des Auftretens eines Anstiegs in einer Kennlinie des Kraftstoffdrucks im Rail 24 (d.h. Raildruck) aufgrund des Pumpbetriebs der Pumpe 10 angezeigt werden. Um so die SOP-Position zu ermitteln, werden zunächst gegebenenfalls ruhige Segmente in einem Zwischenspeicher von Raildruckmessungen bestimmt. Diese ruhigen Segmente entsprechen der Abwesenheit eines Pumpens von Kraftstoff ins Rail 24 bzw. einer Einspritzung von Kraftstoff vom Rail 24. Die ruhigen Segmente können bestimmt werden, indem Raildruckmessungen mit einem Medianfilter gefiltert werden, dessen Länge dem Zeitraum des Betriebsmodus des Rails 24 entspricht. Der Betriebsmodus entspricht der Oszillationsfrequenz bzw. den Oszillationsfrequenzen des Drucks innerhalb des Rails 24. Dabei kann es eine oder mehrere sinusförmige Schwingungsmoden geben, die vom Medianfilter erfasst werden, um die Oszillationen zu entfernen bzw. um zu ermitteln, wann Pumpsegmente und wann ruhige Segmente erfolgen. Wenn mehrere Oszillationsfrequenzen vorliegen, wird das Medianfilter mit verschiedenen Filterlängen, die den verschiedenen Frequenzen entsprechen, mehrmals ausgeführt.
In 2 wird ein roher Raildruck als Kennlinie 34 dargestellt, während die Median-gefilterte Version der Kennlinie 34 als Kennlinie 36 abgebildet ist. Wie an der Kennlinie 36 ersichtlich, werden durch das Medianfilter Rauschen und Oszillationen von der Kennlinie 34 unter Beibehaltung der Injektions- und Pumpcharakteristika der Rohdaten effektiv entfernt, ohne wichtige Hochfrequenzinformationen zu verlieren. Das Filter ähnelt einem zentrierten gleitenden Durchschnitt, verwendet aber den Mediandruck anstelle des mittleren Drucks. Das Filter wird auf die Oszillationsfrequenz eingestellt, die für einen bestimmten Raildruck, eine bestimmte Schallgeschwindigkeit des Kraftstoffs und eine bestimmte Geometrie des Rails 24 vorhergesagt wird.
Unter Bezugnahme auf 3 kann der Prozessor 21 nun ruhige Segmente in der Ausgabe des Medianfilters ermitteln, indem er die Ableitung der Kennlinie 36 (d.h. des gefilterten Raildrucksignals) auswertet. Die ruhigen Segmente sind in 3 als Segmente 38 hervorgehoben. Dabei versteht es sich, dass die ruhigen Segmente 38 einfach die Teile der Rohdatenkennlinie 34 sind, die den horizontalen oder flachen Teilen der gefilterten Datenkennlinie 36 entsprechen. Mit anderen Worten entsprechen die ruhigen Segmente der Rohdatenkennlinie 34 zeitlich den Segmenten der gefilterten Datenkennlinie 36, deren Steigung ungefähr null ist.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung passt der Prozessor 21 anschließend ein bimodales Modell an die ermittelten ruhigen Segmente 38 an. Das Modell wird durch die nachstehende Gleichung (2) beschrieben. $P = P m e a n + a_{1}^{(-_{t ς^{1}})} sin (ω_{1} t + φ_{1}) + a_{2} e^{(- t ς^{2})} sin (ω_{2} t + φ_{2})$
wobei vorausgesetzt wird, dass die Dämpfungsfaktoren ζ_i und die Winkelgeschwindigkeiten ω_i (die beide von der Schallgeschwindigkeit abhängen) bekannt sind. Es wird dem Fachmann mit einer Kenntnis der vorliegenden Offenbarung einleuchten, dass die Gleichung (2) durch die Aufnahme zusätzlicher Sinusterme modifiziert werden kann, um eine beliebige Anzahl von Modi zu umfassen. Die Gleichung (2) kann unter Verwendung trigonometrischer Beziehungen wie folgt umgeschrieben werden: $\begin{array}{l} P = P m e a n + a_{1} e^{(-_{t ς^{1}})} sin (ω_{1} t) cos (φ_{1}) + a_{1} e^{(-_{t ς^{1}})} cos (ω_{1} t) sin (φ_{1}) + a_{2} e^{(-_{t ς^{2}})} sin (ω_{2} t) \\ cos (φ_{2}) + a_{2} e^{(-_{t ς^{2}})} cos (ω_{2} t) sin (φ_{2}) \end{array}$
Die Gleichung (3) kann weiter als ein lineares System umgeschrieben werden, das vom Prozessor 21 verwendet werden kann, um eine Kleinste-Quadrate-Schätzung von Pmean, a_1* cos(φ₁),a_2* cos(φ₂), a_1* sin(φ₁) und a_2* sin(φ₂) zu erhalten. Werte für a_i und φ_i können durch das Lösen des linearen Systems ${\begin{matrix} a_{i} * cos (φ_{i}) = x_{1}^{i} \\ a_{i} * sin (φ_{i}) = x_{2}^{i} \end{matrix}$
gefunden werden, welches die folgenden Lösungen hat $φ_{i} = acost (\frac{x_{1}^{i}}{\sqrt{x_{1}^{i^{2}} + x_{2}^{i^{2}}}})$
$a 1 = \sqrt{x_{1}^{i^{2}} + x_{2}^{i^{2}}}$
Somit sind die Amplitude, die Phase, die Dämpfung und die Frequenz der freien Reaktionsdynamik bekannt, und die Ausbreitung der Raildruckdynamik kann ohne Störungen durch Pumpvorgänge abgebildet werden. Die Ausgabe dieses Modells wird in 4 als Kennlinie 40 zusammen mit den ihm zugrunde liegenden Daten dargestellt.
Im anschließenden Schritt kann die Differenz zwischen den rohen Raildruckdaten (Kennlinie 34) und dem Modell (Kennlinie 40) vom Prozessor 21 genutzt werden, um eine Schätzung der SOP-Position zu erhalten. In 5 wird die geschätzte SOP-Position als Punkt 42 dargestellt. Die geschätzte SOP-Position 42 liegt dort, wo die Rohdaten und das angepasste Modell auseinandergehen. 6 zeigt die Differenz zwischen den rohen Raildruckdaten (Kennlinie 34) und dem angepassten Modell (Kennlinie 40).
Die Art und Weise, wie die von der Pumpe 10 zum Rail 24 geförderte Kraftstoffmasse (d.h. Q_pump) geschätzt wird, kann herkömmlichen Schätzungen von Kraftstoffeinspritzmengen ähneln. ΔP wird vom Drucksensor 23 gemessen, vom Prozessor 21 gelesen und anschließend unter Verwendung des bereits bekannten unter Druck stehenden Volumens und der bereits bekannten Schallgeschwindigkeit im Kraftstoff in Masse umgewandelt. ΔP wird vom Prozessor 21 als die Differenz zwischen dem Mitteldruck vor und nach einem Pumpvorgang berechnet, wie in 7 dargestellt. Die Mitteldrücke werden unter Anwendung desselben (vorstehend beschrieben) Kleinste-Quadrate-Verfahrens erhalten, die zur Generierung einer Schätzung für die SOP-Position verwendet wurde, bei welchem der Mitteldruck einer der geschätzten Werte war.
Nach der Konvergenz des vorstehend beschriebenen adaptiven Pumpmodells kann die gepumpte Masse vorhergesagt werden, indem die SOP-Position, der Raildruck und die Railtemperatur in das Modell eingespeist werden. Mit dem Modell der vorliegenden Offenbarung können Kraftstoffeinspritzmessungen erhalten werden, ohne die Hochdruckpumpe 10 abzuschalten. Weitere Einzelheiten zur Anwendung des Modells nach der vorliegenden Offenbarung werden in der am 10. April 2018 eingereichten parallelen Patentanmeldung Nr. PCT/US2018/026874 mit dem Titel „SYSTEM AND METHOD FOR MEASURING FUEL INJECTION DURING PUMP OPERATION“ beschrieben (im Folgenden die „Einspritzmessung-Anmeldung“), deren gesamter Inhalt durch diesen Verweis hier ausdrücklich aufgenommen wird. In diesem Sinne stellt die vorliegende Offenbarung ein nicht intrusives Messverfahren bereit, denn Daten werden im Normalbetrieb gesammelt. Das vorliegende Modell kann ferner dazu verwendet werden, die Kraftstoffdichte zu schätzen, welche zur Bestimmung der von der Pumpe 10 gepumpten Kraftstoffart (Diesel, Winterdiesel, Biodiesel usw.) verwendet werden kann. Zudem kann das vorliegende Modell in einem Feedforward-System eingesetzt werden, um eine bessere Kontrolle über den Kraftstoffdruck im Rail 24 bereitzustellen. Wenn die Injektoren 25 Kraftstoff vom Rail 24 einspritzen, muss der Kraftstoff im Rail 24 ersetzt werden, um die Massenbilanz im System aufrechtzuerhalten. Somit können gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung der Zeitpunkt sowie das Ausmaß des Betriebs der Pumpe 10 gesteuert werden, um die vom hier beschriebenen Modell bestimmte Massenbilanz aufrechtzuhalten. Darüber hinaus kann das Modell dazu verwendet werden, Kraftstoffeinspritzmengen, Pumpenleistung und/oder Leckage für diagnostische Zwecke zu überwachen.
Dabei sollte es evident sein, dass die Lehren der vorliegenden Offenbarung einen Mechanismus zur Nachvollziehung der Leistung der Pumpe 10 (z.B. das Ausmaß, in dem sie leckt usw.) bereitstellen. In der Einspritzmessung-Anmeldung wird die von der vorliegenden Anmeldung bestimmte Pumpenleistung verwendet, um die bei jedem Kraftstoffeinspritzvorgang eingespritzte Kraftstoffmenge zu bestimmen, welche anschließend zur Steuerung der Kraftstoffinjektoren und zur Durchführung von Diagnosen genutzt wird.
Außerdem ermöglicht das adaptive Modell der vorliegenden Offenbarung die Berechnung von Kraftstoffeffizienz (z.B. Meilen pro Gallone), da Kraftstoffdichte, Einspritzmengen und Leckage geschätzt werden können. Da die Pumpende-Position (EOP-Position) ermittelt werden kann, kann die Synchronisierung bzw. der Zeitpunkt der Pumpvorgänge bezüglich der Kraftstoffeinspritzvorgängen bestimmt werden. Diese Information kann dazu verwendet werden, die Eigenschaften der Pumpvorgänge (Zeitpunkt und/oder Dauer) zu steuern, einen fehlerhaften Einbau der Pumpe zu bestimmen und den Betrieb der Pumpe anzupassen, um ihre Betriebsdauer zu verlängern.
Es versteht sich hierbei, dass die Verbindungslinien, die in den verschiedenen hier umfassten Figuren gezeigt werden, beispielhafte Funktionsbeziehungen und/oder physische Kopplungen zwischen den verschiedenen Elementen darstellen sollen. Es sei angemerkt, dass in einem praktischen System viele alternative oder zusätzliche Funktionsbeziehungen oder physische Verbindungen vorhanden sein können. Indessen sind hier Nutzen, Vorteile, Problemlösungen sowie alle Elemente, die dazu führen können, dass ein Nutzen, ein Vorteil oder eine Lösung zustande kommt oder gesteigert wird, nicht als kritische, erforderliche oder wesentliche Merkmale oder Elemente auszulegen. Dementsprechend soll der Schutzbereich hier durch nichts anderes eingeschränkt werden als die beigefügten Ansprüche, in welchen eine Bezugnahme auf ein Element im Singular nicht im Sinne von „ein einziger“ zu verstehen ist, sofern nicht anderweitig ausdrücklich erklärt, sondern als „ein oder mehrere“. Außerdem soll der Gebrauch eines Ausdrucks wie „mindestens einer von A, B oder C“ in den Ansprüchen dahingehend interpretiert werden, dass A in einer Ausführungsform allein vorliegen kann, B in einer Ausführungsform allein vorliegen kann, C in einer Ausführungsform allein vorliegen kann oder dass eine beliebige Kombination der Elemente A, B oder C in einer einzigen Ausführungsform vorliegen kann; beispielsweise A und B, A und C, B und C oder auch A und B und C.
In der ausführlichen Beschreibung weisen hierbei Bezugnahmen auf „eine Ausführungsform“, „ein Ausführungsbeispiel“ usw. darauf hin, dass die beschriebene Ausführungsform ein besonderes Merkmal, einen besonderen Aufbau oder eine besondere Eigenschaft umfassen kann, allerdings umfasst nicht unbedingt jede Ausführungsform das besondere Merkmal, den besonderen Aufbau oder die besondere Eigenschaft. Außerdem beziehen sich solche Ausdrücke nicht unbedingt auf dieselbe Ausführungsform. Sollte ferner hier ein besonderes Merkmal, ein besonderer Aufbau oder eine besondere Eigenschaft im Zusammenhang mit einer Ausführungsform beschrieben werden, wird hier geltend gemacht, dass das durch die vorliegende Offenbarung ergänzte Wissen des Fachmanns das Vermögen umfasst, ein solches Merkmal, einen solchen Aufbau oder eine solche Eigenschaft im Zusammenhang mit anderen Ausführungsformen zu realisieren, auch wenn solche hier nicht ausdrücklich beschrieben werden. Nach der Lektüre der Beschreibung wird es einem Fachmann offenkundig sein, wie die Offenbarung in alternativen Ausführungsformen zu realisieren ist.
Außerdem ist hier kein Element, Bauelement oder Verfahrensschritt der vorliegenden Offenbarung zur öffentlichen Nutzung bestimmt, ungeachtet dessen, ob das Element, das Bauelement oder der Verfahrensschritt in den Ansprüchen ausdrücklich genannt wird. Kein Anspruchselement soll hier unter den Bestimmungen von 35 U.S.C. § 112(f) interpretiert werden, es sei denn, das Element wird ausdrücklich unter Verwendung des Ausdrucks „Mittel zum/zur“ angeführt. Die hier verwendeten Begriffe „umfasst“, „umfassend“ oder jede andere Variation davon sollen hier eine nicht exklusive Einbeziehung bezeichnen, so dass ein Prozess, Verfahren, Artikel oder eine Einrichtung, die eine Liste von Elementen umfassen, nicht nur diese Elemente umfasst, sondern eventuell weitere Elemente umfassen kann, die nicht ausdrücklich aufgelistet sind oder einem solchen Prozess, Verfahren, Artikel oder einer solchen Einrichtung innewohnen.
An den erläuterten beispielhaften Ausführungsformen können diverse Modifikationen und Ergänzungen vorgenommen werden, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Auch wenn sich beispielsweise die vorstehend erläuterten Ausführungsformen auf bestimmte Merkmale beziehen, umfasst der Schutzumfang dieser Offenbarung zudem Ausführungsformen mit diversen Merkmalkombinationen sowie Ausführungsformen, die nicht alle der beschriebenen Merkmale aufweisen. Dementsprechend soll der Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung jede Alternative, Modifikation sowie Variation einschließlich jedes gleichwertigen Ersatzes umfassen, die innerhalb des Schutzumfangs der Ansprüche fällt.

Claims

Verfahren zum adaptiven Vorhersagen, bei einem laufenden Betrieb einer Pumpe, einer Kraftstoffmasse („Q_pump“), die bei einem Pumpvorgang von der Pumpe zu einem Kraftstoffspeicher gepumpt wird, zum Steuern des Betriebs der Pumpe, umfassend: Generieren eines adaptiven Betriebsmodells für die Pumpe, umfassend Schätzen einer Pumpbeginn- („SOP“-)Position eines Kolbens der Pumpe, Schätzen von Q_pump, Bestimmen eines konvergierten Werts der geschätzten SOP-Position und Bestimmen eines konvergierten Werts der geschätzten Q_pump; Verwenden des adaptiven Modells zur Vorhersage von Q_pump, indem der konvergierte Wert der geschätzten SOP-Position, ein gemessener Kraftstoffdruck im Kraftstoffspeicher und eine gemessene Kraftstofftemperatur im Kraftstoffspeicher in das Modell eingegeben werden; und Steuern des Betriebs der Pumpe in Reaktion auf die vorhergesagte Q_pump.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Schätzen einer SOP-Position umfasst: Empfangen von Rohmessungen des Kraftstoffdrucks im Kraftstoffspeicher; Ermitteln von ruhigen Segmenten in den Rohmessungen; Anpassen eines Modells an die ermittelten ruhigen Segmente; Verwenden des angepassten Modells zur Bestimmung eines Outputs, welcher eine Ausbreitung des Kraftstoffdrucks im Kraftstoffspeicher ohne Störungen durch Pumpvorgänge abbildet; und Ermitteln einer Abweichung zwischen dem angepassten Modelloutput und den Rohmessungen des Kraftstoffdrucks im Kraftstoffspeicher.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Ermitteln von ruhigen Segmenten das Filtern der Rohmessungen unter Anwendung eines Medianfilters umfasst, dessen Länge einer Oszillationsfrequenz des Kraftstoffdrucks im Kraftstoffspeicher entspricht.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Medianfilter auf die Oszillationsfrequenz, eine Schallgeschwindigkeit des Kraftstoffs und die Geometrie des Kraftstoffspeichers eingestellt ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Ermitteln von ruhigen Segmenten weiter das Auswerten einer Ableitung der gefilterten Rohmessungen zum Ermitteln von Segmenten der Ableitung, deren Steigung ungefähr null ist, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Anpassen eines Modells an die ermittelten ruhigen Segmente ein Anwenden der Relation P =Pmean+ a₁ ^(-tζ1)sin(ω₁t)+φ₁)+ a₂e^(-tζ2)sin(ω₂t)+ φ₂) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Schätzen von Q_pump das Berechnen einer Druckdifferenz zwischen einem Mitteldruck vor einem Pumpvorgang und einem Mitteldruck nach einem Pumpvorgang umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Schätzen von Q_pump weiter das Umwandeln der berechneten Druckdifferenz in Masse umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das adaptive Modell die Relation Qpump = fcam(EOP-SOP)* A * δ(P,T) - t*L(P,T) verwendet, wobei fcam eine Tabelle ist, die Positionen des Kolbens mit einem Kurbelwinkel eines Motors korreliert, EOP eine Pumpende-Position des Kolbens ist, A eine Fläche des Kolbens ist, δ(P,T) eine Kraftstoffdichte im Kraftstoffspeicher ist, t eine Dauer des Pumpvorgangs ist und L(P,T) eine Kraftstoffleckage der Pumpe ist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei δ(P,T) durch entweder ein Polynom ersten Grades bezüglich einer Kraftstofftemperaturdimension oder mindestens ein Polynom zweiten Grades bezüglich einer Kraftstoffdruckdimension modelliert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei L(P,T) durch entweder ein Polynom ersten Grades bezüglich einer Kraftstofftemperaturdimension oder mindestens ein Polynom zweiten Grades bezüglich einer Kraftstoffdruckdimension modelliert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Steuern des Betriebs der Pumpe das Anpassen eines Zeitpunkts oder einer Dauer des Pumpvorgangs umfasst.
System zum adaptiven Vorhersagen, bei einem laufenden Betrieb der Pumpe, einer Kraftstoffmasse („Q_pump“), die bei einem Pumpvorgang von der Pumpe zu einem Kraftstoffspeicher gepumpt wird, zum Steuern des Betriebs der Pumpe, umfassend: einen zum Messen von Kraftstoffdruck im Kraftstoffspeicher positionierten Drucksensor; einen zum Messen von Kraftstofftemperatur im Kraftstoffspeicher positionierten Temperatursensor; und einen Prozessor, der zum Empfang von Druckwerten, die den gemessenen Druck des Kraftstoffs im Kraftstoffspeicher darstellen, mit dem Drucksensor in Kommunikation steht, und der zum Empfang von Temperaturwerten, die die gemessene Temperatur des Kraftstoffs im Kraftstoffspeicher darstellen, mit dem Temperatursensor in Kommunikation steht; wobei der Prozessor dazu eingerichtet ist: ein adaptives Betriebsmodell für die Pumpe zu generieren, indem er eine Pumpbeginn- („SOP“-)Position eines Kolbens der Pumpe schätzt, Q_pump schätzt, einen konvergierten Wert der geschätzten SOP-Position und einen konvergierten Wert von der geschätzten Q_pump bestimmt; das adaptive Modell zur Vorhersage von Q_pump zu verwenden, indem er den konvergierten Wert der geschätzten SOP-Position, einen Druckwert und einen Temperaturwert in das Modell eingibt; und den Betrieb der Pumpe in Reaktion auf die vorhergesagte Q_pump zu steuern.
System nach Anspruch 13, wobei der Prozessor dazu eingerichtet ist, eine SOP-Position zu schätzen, indem er die Druckwerte empfängt, ruhige Segmente in den Druckwerten ermittelt, ein Modell an die ermittelten ruhigen Segmente anpasst, das angepasste Modell zur Bestimmung eines Outputs verwendet, welcher eine Ausbreitung des Kraftstoffdrucks im Kraftstoffspeicher ohne Störungen durch Pumpvorgänge abbildet, und eine Abweichung zwischen dem angepassten Modelloutput und den Druckwerten ermittelt.
System nach Anspruch 14, wobei der Prozessor dazu eingerichtet ist, die ruhigen Segmente zu ermitteln, indem er die Drucksignale unter Anwendung eines Medianfilters filtert, dessen Länge einer Oszillationsfrequenz des Kraftstoffdrucks im Kraftstoffspeicher entspricht.
System nach Anspruch 15, wobei der Prozessor dazu eingerichtet ist, die ruhigen Segmente zu ermitteln, indem er eine Ableitung der gefilterten Drucksignale auswertet, um Segmente der Ableitung zu ermitteln, deren Steigung ungefähr null ist.
System nach Anspruch 13, wobei der Prozessor dazu eingerichtet ist, Q_pump zu schätzen, indem er die Druckdifferenz zwischen einem Mitteldruck vor einem Pumpvorgang und einem Mitteldruck nach einem Pumpvorgang berechnet.
System nach Anspruch 13, wobei das adaptive Modell die Beziehung Qpump = fcam(EOP-SOP)* A * δ(P,T) - t*L(P,T) verwendet, wobei fcam eine Tabelle ist, die Positionen des Kolbens mit einem Kurbelwinkel eines Motors korreliert, EOP eine Pumpende-Position des Kolbens ist, A eine Fläche des Kolbens ist, δ(P,T) eine Kraftstoffdichte im Kraftstoffspeicher ist, t eine Dauer des Pumpvorgangs ist und L(P,T) eine Kraftstoffleckage der Pumpe ist.
System nach Anspruch 18, wobei mindestens eine von δ(P,T) und L(P,T) durch entweder ein Polynom ersten Grades bezüglich einer Kraftstofftemperaturdimension oder mindestens ein Polynom zweiten Grades bezüglich einer Kraftstoffdruckdimension modelliert wird.
System nach Anspruch 13, wobei der Prozessor dazu eingerichtet ist, den Betrieb der Pumpe zu steuern, indem er einen Zeitpunkt oder eine Dauer des Pumpvorgangs anpasst.