EP3371442A1 - Brennkraftmaschine mit kraftstoffinjektordiagnose - Google Patents

Brennkraftmaschine mit kraftstoffinjektordiagnose

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EP3371442A1
EP3371442A1 EP16798620.7A EP16798620A EP3371442A1 EP 3371442 A1 EP3371442 A1 EP 3371442A1 EP 16798620 A EP16798620 A EP 16798620A EP 3371442 A1 EP3371442 A1 EP 3371442A1
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EP
European Patent Office
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injector
combustion engine
internal combustion
state
needle
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP16798620.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Medy Satria
Dino Imhof
Raphael Burgmair
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Innio Jenbacher GmbH and Co OG
Original Assignee
GE Jenbacher GmbH and Co OHG
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Filing date
Publication date
Application filed by GE Jenbacher GmbH and Co OHG filed Critical GE Jenbacher GmbH and Co OHG
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Withdrawn legal-status Critical Current

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

Definitions

  • the present invention relates to an internal combustion engine with the features of the preamble of claim 1 and a method having the features of the preamble of claim 14 and 15, respectively.
  • a generic internal combustion engine and a generic method are apparent from DE 100 55 192 A1.
  • a method for concentricity control of diesel engines is disclosed, wherein the injection quantity of the injectors associated with the cylinders is corrected by means of a correction factor.
  • the problem with the prior art is that the injectors are replaced after a certain lifetime (number of operating hours), without knowing whether the replacement based on the internal state of the injector ever required.
  • the object of the invention is to provide an internal combustion engine and a method in which only those injectors must be replaced, in which this is actually required due to their internal state.
  • liquid fuel is called diesel. It could also be heavy fuel oil or another auto-ignitable fuel.
  • the invention provides that an algorithm is stored in the control device, which calculates a state of the injector based on input variables and an injector model and compares the state calculated by means of the injector model with a desired state and generates a state signal as a function of the result, which is characteristic for a when the injector is used as intended occurring change in the state of the injector (eg., By aging and / or wear) and / or an unforeseen change in the state of the injector (eg., Damage to the injector or excessive formation of deposits), the input variables at least Actuator drive signal and the measured values of the sensor include.
  • the control device compares a value (predetermined normal value or value from one or more of the last combustion cycles) present when the algorithm is executed for at least one variable contained in the injector model (eg pressure profile in one of the volumes or mass flows between adjacent volumes or the kinematics of the needle , each during an injection process) with the current estimated value determined by the algorithm. From a possible change, the state of the injector can be deduced. Based on the inference, the controller may generate the representative of the state of the injector signal.
  • a value predetermined normal value or value from one or more of the last combustion cycles
  • the algorithm has a precontrol which calculates a precontrol signal for the actuator drive signal from a desired desired value of the mass of liquid fuel and / or a needle position desired value.
  • the feedforward control ensures a fast system response since, in the case of necessary corrections of the actuator drive signal or the pilot control signal, it controls the actuator as if there were no injector variability.
  • the algorithm has a feedback loop which calculates the mass of liquid fuel injected via the discharge opening of the injector, taking into account the actuator drive signal calculated by the precontrol and the at least one measured variable by means of the injector model if necessary (if there is a deviation), the pilot control signal for the actuator drive signal calculated by the precontrol is corrected.
  • the feedback loop is used to correct the inaccuracies of feedforward (due to manufacturing variability, wear, etc.) causing injector drift.
  • the algorithm preferably has an observer, who, using the injector model, estimates the injected mass of liquid fuel and / or the position of the needle as a function of the at least one measured variable and of the at least one actuator drive signal.
  • An actual measurement of the injected mass of liquid fuel or the measurement of the position of the needle is therefore not required for the feedback loop.
  • the injected mass of liquid fuel estimated by the observer and / or the estimated position of the needle in the feedforward control may be used to enhance the actuator drive signal.
  • the Aktuatoran Kunststoffsignal based on the setpoint for the injected mass of liquid fuel and / or the position of the needle and Based on the estimated by the observer mass of liquid fuel or the estimated position of the needle to calculate.
  • the control is therefore not constructed in two parts, with a feedforward control and a feedback control loop which corrects the precontrol signal.
  • the injector model at least includes:
  • the injector may have at least:
  • the needle is usually biased against the opening direction by a spring. It can also be provided an injector, which manages without control chamber, for example an injector, in which the needle is driven by a piezoelectric element.
  • the at least one measurand may be e.g. be selected from the following sizes or a combination thereof:
  • the controller may be configured to execute the algorithm during each combustion cycle or selected combustion cycles of the internal combustion engine. Alternatively, the controller may be configured to execute the algorithm during each combustion cycle or selected combustion cycles of the internal combustion engine.
  • control device may be designed to execute the algorithm during each combustion cycle or selected combustion cycles of the internal combustion engine and to statically evaluate the deviations that have occurred.
  • the invention can preferably be used in a stationary internal combustion engine, for marine applications or mobile applications, such as so-called “non-road mobile machinery” (NRMM), preferably in each case as a reciprocating piston engine
  • NRMM non-road mobile machinery
  • the internal combustion engine preferably has a multiplicity of combustion chambers with corresponding gas supply devices and injectors The regulation can be carried out individually for each combustion chamber.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of a first control scheme
  • Fig. 2 shows a second embodiment of a second control scheme
  • FIG. 3 shows a first example of a schematically illustrated injector
  • FIG. 4 shows a second example of a schematically illustrated injector
  • FIG. 1 The aim of the injector control in this exemplary embodiment is the regulation of the actually injected mass of liquid fuel and / or the position z of the needle to a desired value m r d er orz re by the injection duration or the duration of actuation the actuator of the needle At is controlled.
  • the control strategy is carried out by - a pilot control (FF), which from a desired setpoint of the mass m r d he liquid fuel and / or a needle position setpoint z re a pilot control At ff (hereinafter also referred to as "control command") for the injection duration or the duration of actuation of the actuator is calculated and a feedback loop (FB), which is determined using an observer 7 (“state estimator”) taking into account the pre-control calculated pre-control signal At ⁇ and at least one measured variable y (eg one of the pressure profiles p IA , p cc , p JC , p AC , p SA or the beginning of lifting the needle from the needle seat) estimated by means of an injector model via the discharge opening of the injector applied mass flow fh d of liquid fuel and / or the position of the needle z and possibly that of the Pre-control calculated pre-control signal At ff corrected by means of a correction value At fb
  • the observer also outputs the
  • the pilot control ensures a fast system response because it drives the injector with an injection period At as if there were no injector variability.
  • the feedforward control using a calibrated Injektorkennfeld (which energization duration via injection mass or volume indicating) or the inverted Injektormodell around the desired value of the mass m r t he re ff in the pilot at command of liquid fuel and / or the needle position setpoint z transform.
  • the feedback loop is used to correct the inaccuracies of feedforward (due to manufacturing variability, wear, etc.) causing injector drift.
  • the feedback loop compares the setpoint m r d er and / or z re with the estimated injected mass m d of liquid fuel and the estimated position of the needle z and gives as feedback a correction control command At fb (which may also be negative) for the duration of injection or for the duration of actuation of the actuator, if there is a discrepancy between m d ef and fh d or z re and z.
  • the addition of At ff and At fb gives the final injection duration ⁇ or the duration of actuation of the actuator.
  • the observer estimates the injected mass fh d of liquid fuel and / or the position of the needle z as a function of at least one measured variable y and the final injection duration ⁇ or the duration of actuation of the actuator.
  • the at least one measured variable can relate to: common rail pressure p CR , pressure in the input storage chamber p IA , pressure in the control chamber p cc and start of lifting the needle from the needle seat.
  • the observer uses a reduced injector model to estimate the injected mass m d of liquid fuel or the position of the needle z.
  • This figure shows a one-piece constructed control in which the Aktuatoran Kunststoffsignal .DELTA. ⁇ on the basis of the setpoint m e e for the injected mass of liquid fuel and / or the needle position setpoint z re and based on the estimated by the observer, used in the pilot model parameters Apar mod is calculated , This gives an adaptive, modified by the observer pilot signal.
  • the control is therefore not constructed in two parts, with a feedforward control and a feedback control loop which corrects the precontrol signal.
  • the injector model consists of a structural model of the injector and a system of equations describing the dynamic behavior of the structural model.
  • the structural model consists of five modeled volumes: input storage chamber 1, storage chamber 3, control chamber 2, volume via needle seat 4 and connection volume 5.
  • the storage chamber 1 represents the summary of all volumes from the check valve to the volume 4 above the needle seat.
  • the volume 4 above the needle seat represents the summary of all volumes between the needle seat to the
  • the connection volume 5 represents the summary of all volumes, which connects the volumes of the storage chamber 3 and the control chamber 2 with the solenoid valve.
  • FIG. 4 shows an alternatively designed injector, which does not require a control chamber 2, for example an injector, in which the needle 6 is actuated by a piezoelectric element.
  • the following equation system does not relate to the embodiment shown in FIG.
  • the formulation of a corresponding equation system can be carried out analogously to the equation system shown below.
  • the time evolution of the pressure within each of the volumes is calculated based on a combination of the mass conservation rate and the pressure-density characteristic of the liquid fuel.
  • the temporal evolution of the pressure results from:
  • the needle position is calculated using the following equation of motion:
  • the solenoid valve is modeled by a first order transfer function that converts the valve opening command to a valve position. This is given by:
  • the transient system behavior is characterized by the time constant x SO i and the position of the needle 6 at the maximum valve opening is given by z TM fi.
  • x SO i the time constant of the needle 6 at the maximum valve opening
  • z TM fi the position of the needle 6 at the maximum valve opening
  • Control chamber 2 in kg / s
  • the so-called observer equations preferably using a per se known observer of the "sliding mode observer" type, by adding to the equations of the injector model the so-called observer law
  • a "sliding mode" observer one obtains the observer law by calculating a hypersurface from the at least one measurement signal and the value resulting from the observer equations by squaring the hypersurface equation to obtain a generalized Ljapunov equation (generalized The observer law is that function which minimizes the functional equation, which can be determined by the well-known variation techniques or numerically a combustion cycle for each time step (depending on the timing resolution of the control) performed.
  • the result is the estimated injected mass of liquid fuel, the position of the needle 6, or one of the pressures in one of the volumes of the injector.

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Abstract

Brennkraftmaschine, mit: - einer Regeleinrichtung, - wenigstens einem durch die Regeleinrichtung über ein Aktuatoransteuersignal regelbaren Injektor für flüssigen Kraftstoff, - wobei ein Sensor vorgesehen ist, durch welchen eine Messgröße des wenigstens einen Injektors messbar ist, wobei der Sensor in Signalverbindung mit der Regeleinrichtung steht, und wobei in der Regeleinrichtung ein Algorithmus abgelegt ist, welcher anhand von Eingangsgrößen und eines Injektormodells einen Zustand des Injektors berechnet, den mittels des Injektormodells berechneten Zustand mit einem Sollzustand vergleicht, und in Abhängigkeit davon ein Zustandssignal (C) erzeugt, welches charakteristisch für eine bei bestimmungsgemäßem Gebrauch des Injektors auftretende Änderung des Zustandes des Injektors und/oder eine unvorhergesehene Änderung des Zustandes des Injektors ist, wobei die Eingangsgrößen zumindest das Aktuatoransteuersignal (∆t) und die Messwerte (y) des Sensors umfassen, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine und eines Injektors einer solchen Brennkraftmaschine.

Description

BRENNKRAFTMASCHINE MIT KRAFTSTOFFINJEKTORDIAGNOSE
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 14 bzw. 15.
Eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine und ein gattungsgemäßes Verfahren gehen aus der DE 100 55 192 A1 hervor. In dieser Schrift ist ein Verfahren zur Rundlaufregelung von Dieselmotoren offenbart, wobei die Einspritzmenge der den Zylindern zugeordneten Injektoren mit Hilfe eines Korrekturfaktors korrigiert wird.
Problematisch beim Stand der Technik ist, dass man die Injektoren nach einer gewissen Lebensdauer (Anzahl an Betriebsstunden) austauscht, ohne zu wissen, ob der Austausch basierend auf dem internen Zustand des Injektors überhaupt erforderlich ist.
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Brennkraftmaschine und eines Verfahrens, bei welchen nur solche Injektoren ausgetauscht werden müssen, bei welchen dies aufgrund ihres internen Zustandes tatsächlich erforderlich ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 14 bzw. 15 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Als Beispiel für den flüssigen Kraftstoff sei Diesel genannt. Es könnte auch Schweröl oder ein anderer selbstzündfähiger Kraftstoff sein.
Die Erfindung sieht vor, dass in der Regeleinrichtung ein Algorithmus abgelegt ist, welcher anhand von Eingangsgrößen und eines Injektormodells einen Zustand des Injektors berechnet und den mittels des Injektormodells berechneten Zustand mit einem Sollzustand vergleicht und in Abhängigkeit des Ergebnisses ein Zustandssignal erzeugt, welches charakteristisch für eine bei bestimmungsgemäßem Gebrauch des Injektors auftretende Änderung des Zustandes des Injektors (z. B. durch Alterung und/oder Abnutzung) und/oder eine unvorhergesehene Änderung des Zustandes des Injektors (z. B. durch Beschädigung des Injektors oder übermäßige Bildung von Ablagerungen) ist, wobei die Eingangsgrößen zumindest das Aktuatoransteuersignal und die Messwerte des Sensors umfassen.
Die Regeleinrichtung vergleicht einen bei Ausführung des Algorithmus vorliegenden Wert (vorgegebener Normalwert oder Wert aus einem oder mehreren der letzten Verbrennungszyklen) für wenigstens eine im Injektormodell enthaltene Größe (z. B. Druckverlauf in einem der Volumina oder Massenströme zwischen benachbarten Volumina oder die Kinematik der Nadel, jeweils während eines Einspritzvorganges) mit dem durch den Algorithmus ermittelten aktuellen abgeschätzten Wert. Aus einer allfälligen Änderung kann auf den Zustand des Injektors rückgeschlossen werden. Auf Basis des Rückschlusses kann die Regeleinrichtung das für den Zustand des Injektors repräsentative Signal erzeugen.
Ändert sich z. B. bei gleichbleibender Dauer der Betätigung des Aktuators die abgeschätzte Kinematik der Nadel dahingehend, dass ein Abheben der Nadel vom Nadelsitz langsamer oder schneller erfolgt, interpretiert dies die Regeleinrichtung so, dass eine Änderung des Zustandes des Injektors erfolgt ist. Dies kann auf eine Abnutzung, Alterung oder Beschädigung des Injektors zurückzuführen sein und die Regeleinrichtung kann (z.B. auf Basis von Erfahrungswerten) eine verbleibende Lebensdauer des Injektors bestimmen. Ist die Abweichung größer als ein vorgegebener Sollwert, kann die Regeleinrichtung auf Basis des Zustandssignals angeben, wann oder dass der Injektor auszutauschen ist.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Algorithmus eine Vorsteuerung aufweist, welche aus einem gewünschten Sollwert der Masse an flüssigem Kraftstoff und/oder einem Nadelpositionssollwert ein Vorsteuersignal für das Aktuatoransteuersignal berechnet. Die Vorsteuerung stellt eine schnelle Systemantwort sicher, da sie im Falle notwendiger Korrekturen des Aktuatoransteuersignals oder des Vorsteuersignals den Aktuator so ansteuert, als ob keine Injektorvariabilität existieren würde. Die Vorsteuerung verwendet z. B. ein Injektorkennfeld (welches beispielsweise bei einem als Solenoidventil ausgebildeten Aktuator die Bestromungsdauer über die Einspritzmasse oder -volumen angibt) oder ein invertiertes Injektormodell um den Sollwert der einzuspritzenden Masse an flüssigem Kraftstoff und/oder den Nadelpositionssollwert in den Vorsteuerbefehl umzuwandeln.
Bei einer Ausbildung der Regeleinrichtung mit Vorsteuerung kann besonders bevorzugt vorgesehen sein, dass der Algorithmus eine Rückkopplungsschleife aufweist, welche unter Berücksichtigung des von der Vorsteuerung berechneten Aktuatoransteuersignals und der wenigstens einen Messgröße mittels des Injektormodells die über die Ausbringöffnung des Injektors eingespritzte Masse an flüssigem Kraftstoff berechnet und ggf. (bei Vorliegen einer Abweichung) das von der Vorsteuerung berechnete Vorsteuersignal für das Aktuatoransteuersignal korrigiert. Die Rückkopplungsschleife wird verwendet, um die Ungenauigkeiten der Vorsteuerung (aufgrund von Herstellungsvariabilitäten, Abnutzung, usw.), welche eine Injektordrift verursachen, zu korrigieren.
Bevorzugt weist der Algorithmus einen Beobachter auf, welcher unter Verwendung des Injektormodells die eingespritzte Masse an flüssigem Kraftstoff und/oder die Position der Nadel in Abhängigkeit der wenigstens einen Messgröße und des zumindest einen Aktuatoransteuersignals abschätzt. Eine tatsächliche Messung der eingespritzten Masse an flüssigem Kraftstoff bzw. die Messung der Position der Nadel ist daher für die Rückkopplungsschleife nicht erforderlich. Unabhängig davon, ob eine Rückkopplungsschleife vorgesehen ist, kann die vom Beobachter abgeschätzte eingespritzte Masse an flüssigem Kraftstoff und/oder die abgeschätzte Position der Nadel in der Vorsteuerung verwendet werden um das Aktuatoransteuersignal zu verbessern.
Verschiedene mögliche Ausbildungen des Beobachters sind dem Fachmann aus der Literatur bekannt (z. B. Luenberger-Beobachter, Kaiman-Filter, „Sliding Mode" Beobachter, usw.).
Grundsätzlich ist es möglich, das Aktuatoransteuersignal auf Basis des Sollwertes für die eingespritzte Masse an flüssigem Kraftstoff und/oder der Position der Nadel und auf Basis der vom Beobachter abgeschätzten Masse an flüssigem Kraftstoff bzw. der abgeschätzten Position der Nadel zu berechnen. Man erhält so ein adaptives, vom Beobachter modifiziertes Vorsteuersignal. In diesem Fall ist die Regelung also nicht zweiteilig aufgebaut, mit einer Vorsteuerung und einer das Vorsteuersignal korrigierenden Rückkopplungsschleife.
Es kann vorgesehen sein, dass das Injektormodell wenigstens beinhaltet:
- die Druckverläufe in mit dem flüssigen Kraftstoff gefüllten Volumina des Injektors
- Massenflussraten zwischen den mit dem flüssigen Kraftstoff gefüllten Volumina des Injektors
- kinematische Größen der Nadel, z. B. eine Position der Nadel, vorzugsweise relativ zum Nadelsitz
- Dynamik des Aktuators der Nadel, vorzugsweise Dynamik eines Solenoidventils Durch die Erfindung ist es möglich, ausgewählte oder alle der oben angeführten Größen im Laufe der Zeit zu überwachen und ggf. mit einer Wartung oder dem Austausch des Injektors zu reagieren („condition based maintenance").
Der Injektor kann wenigstens aufweisen:
- eine mit einer Common-Rail der Brennkraftmaschine verbundene Eingangsspeicherkammer
- eine mit der Eingangsspeicherkammer verbundene Speicherkammer für flüssigen Kraftstoff
- einem mit der Speicherkammer verbundenen Volumen über Nadelsitz
- einem einerseits mit der Speicherkammer und andererseits mit einer Ablaufleitung verbundenen Verbindungsvolumen
- eine durch eine Nadel verschließbare und mit dem Volumen über Nadelsitz verbundene Ausbringöffnung für flüssigen Kraftstoff
- einen mittels des Aktuatoransteuersignals ansteuerbaren Aktuator, vorzugsweise Solenoidventil, zum Öffnen der Nadel
- vorzugsweise einer einerseits mit der Speicherkammer und andererseits mit dem Verbindungsvolumen verbundenen Steuerkammer Die Nadel ist üblicherweise entgegen der Öffnungsrichtung durch eine Feder vorgespannt. Es kann auch ein Injektor vorgesehen sein, der ohne Steuerkammer auskommt, beispielsweise ein Injektor, bei welchem die Nadel durch ein Piezoelement angesteuert wird.
Die wenigstens eine Messgröße kann z.B. ausgewählt sein aus den folgenden Größen oder einer Kombination daraus:
- Druck in einer Common-Rail der Brennkraftmaschine
- Druck in einer Eingangsspeicherkammer des Injektors
- Druck in einer Steuerkammer des Injektors
- Beginn des Abhebens der Nadel vom Nadelsitz
Die Regeleinrichtung kann dazu ausgebildet sein, den Algorithmus während jedes Verbrennungszyklus oder ausgewählter Verbrennungszyklen der Brennkraftmaschine auszuführen. Alternativ kann die Regeleinrichtung dazu ausgebildet sein, den Algorithmus während jedes Verbrennungszyklus oder ausgewählter Verbrennungszyklen der Brennkraftmaschine auszuführen.
Alternativ oder zusätzlich zu einer der oben genannten Ausführungsformen kann die Regeleinrichtung dazu ausgebildet sein, den Algorithmus während jedes Verbrennungszyklus oder ausgewählter Verbrennungszyklen der Brennkraftmaschine auszuführen und die aufgetretenen Abweichungen statisch auszuwerten.
Es ist für die Erfindung nicht unbedingt erforderlich, die Masse an eingespritztem flüssigen Kraftstoff oder die Position der Nadel unmittelbar zu messen. Es ist auch nicht erforderlich, unmittelbar aus der wenigstens einen Messgröße auf die tatsächlich eingespritzte Masse an flüssigem Kraftstoff oder auf die Position der Nadel rückzuschließen. Ganz allgemein gilt: Anstelle der Masse an eingespritztem Kraftstoff könnten natürlich auch das Volumen oder andere Größen berechnet werden, welche für eine bestimmte Masse an eingespritztem Kraftstoff charakteristisch sind. Alle diese Möglichkeiten sind in der vorliegenden Offenbarung bei Verwendung des Begriffs„Masse" erfasst.
Die Erfindung kann bevorzugt bei einer stationären Brennkraftmaschine, für Marineanwendungen oder mobile Anwendungen wie sogenannte„Non-Road-Mobile- Machinery" (NRMM) - vorzugsweise jeweils als Hubkolbenmaschine - eingesetzt werden. Die Brennkraftmaschine kann als mechanischer Antrieb dienen, z. B. zum Betreiben von Verdichteranlagen oder mit einem Generator zu einem Gensets zur Erzeugung elektrischer Energie gekoppelt sein. Die Brennkraftmaschine weist bevorzugt eine Vielzahl von Brennräumen mit entsprechenden Gaszuführvorrichtungen und Injektoren auf. Die Regelung kann individuell für jeden Brennraum erfolgen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines ersten Regelschemas
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines zweiten Regelschemas
Fig. 3 ein erstes Beispiel eines schematisch dargestellten Injektors
Fig. 4 ein zweites Beispiel eines schematisch dargestellten Injektors
Fig. 1 : Ziel der Injektorregelung bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Regelung der tatsächlich eingespritzten Masse an flüssigem Kraftstoff und/oder der Position z der Nadel auf einen Sollwert mr d er bzw.zre hin, indem die Einspritzdauer bzw. die Dauer der Betätigung des Aktuators der Nadel At gesteuert wird. Die Regelstrategie erfolgt durch - eine Vorsteuerung (FF), welche aus einem gewünschten Sollwert der Masse mr d eran flüssigem Kraftstoff und/oder einem Nadelpositionssollwert zre ein Vorsteuersignal Atff (im Folgenden auch als„Steuerbefehl" bezeichnet) für die Einspritzdauer bzw. der Dauer der Betätigung des Aktuators berechnet und - eine Rückkopplungsschleife (FB), welche unter Verwendung eines Beobachters 7 („State Estimator") unter Berücksichtigung des von der Vorsteuerung berechneten Vorsteuersignals At^und wenigstens einer Messgröße y (z. B. einer der im Injektor auftretenden Druckverläufe pIA, pcc , pJC, pAC, pSAoder der Beginn des Abhebens der Nadel vom Nadelsitz) mittels eines Injektormodells den über die Ausbringöffnung des Injektors ausgebrachten Massenstrom fhd an flüssigem Kraftstoff und/oder die Position der Nadel z abgeschätzt und ggf. das von der Vorsteuerung berechnete Vorsteuersignal Atff mittels eines Korrekturwertes Atfb korrigiert. Der Beobachter gibt weiters das Zustandssignal C aus.
Die Vorsteuerung stellt eine schnelle Systemantwort sicher, da sie den Injektor mit einer Einspritzdauer At ansteuert, als ob keine Injektorvariabilität existieren würde. Die Vorsteuerung verwendet ein kalibriertes Injektorkennfeld (welches Bestromungsdauer über Einspritzmasse oder -volumen angibt) oder das invertierte Injektormodell um den Sollwert der Masse mr d eran flüssigem Kraftstoff und/oder den Nadelpositionssollwert zre in den Vorsteuerbefehl Atff umzuwandeln.
Die Rückkopplungsschleife (FB) wird verwendet um die Ungenauigkeiten der Vorsteuerung (aufgrund von Herstellungsvariabilitäten, Abnutzung, usw.) zu korrigieren, welche eine Injektordrift verursachen. Die Rückkopplungsschleife vergleicht den Sollwert mr d er und/oder zre mit der abgeschätzten eingespritzten Masse mdan flüssigem Kraftstoff bzw. der abgeschätzten Position der Nadel z und gibt als Rückkopplung einen Korrektursteuerbefehl Atfb (welche auch negativ sein kann) für die Einspritzdauer bzw. für die Dauer der Betätigung des Aktuators ab, falls es eine Diskrepanz zwischen md ef und fhd bzw. zre und z gibt. Die Addition von Atff und Atfb ergibt die schlussendliche Einspritzdauer Δί bzw. die Dauer der Betätigung des Aktuators.
Der Beobachter schätzt die eingespritzte Masse fhd an flüssigem Kraftstoff und/oder die Position der Nadel z in Abhängigkeit der wenigsten einen Messgröße y und der schlussendlichen Einspritzdauer Δί bzw. der Dauer der Betätigung des Aktuators ab. Die wenigstens eine Messgröße kann sich beziehen auf: common rail Druck pCR, Druck in der Eingangsspeicherkammer pIA, Druck in der Steuerkammer pcc und Beginn des Abhebens der Nadel vom Nadelsitz . Der Beobachter verwendet ein reduziertes Injektormodell um die eingespritzte Masse mdan flüssigem Kraftstoff oder die Position der Nadel z abzuschätzen.
Fig. 2
Diese Figur zeigt eine einteilige aufgebaute Regelung, bei welcher das Aktuatoransteuersignal Δί auf Basis des Sollwertes m^e für die eingespritzte Masse an flüssigem Kraftstoff und/oder des Nadelpositionssollwertes zre und auf Basis der vom Beobachter abgeschätzten, im Vorsteuermodell benutzten Parameter Aparmod berechnet wird. Man erhält so ein adaptives, vom Beobachter modifiziertes Vorsteuersignal. In diesem Fall ist die Regelung also nicht zweiteilig aufgebaut, mit einer Vorsteuerung und einer das Vorsteuersignal korrigierenden Rückkopplungsschleife.
Die Fig. 3 zeigt ein Blockdiagramm eines reduzierten Injektormodells. Das Injektormodell besteht aus einem Strukturmodell des Injektors und einem Gleichungssystem zur Beschreibung des dynamischen Verhaltens des Strukturmodells. Das Strukturmodell besteht aus fünf modellierten Volumina: Eingangsspeicherkammer 1 , Speicherkammer 3, Steuerkammer 2, Volumen über Nadelsitz 4 und Verbindungsvolumen 5.
Die Eingangsspeicherkammer 1 stellt die Zusammenfassung aller Volumina zwischen der Eingangsdrossel und dem Rückschlagventil dar. Die Speicherkammer 3 stellt die Zusammenfassung aller Volumina vom Rückschlagventil bis zum Volumen 4 oberhalb des Nadelsitzes dar. Das Volumen 4 über Nadelsitz stellt die Zusammenfassung aller Volumina zwischen dem Nadelsitz bis zur Ausbringöffnung des Injektors dar. Das Verbindungsvolumen 5 stellt die Zusammenfassung aller Volumina dar, welches die Volumina der Speicherkammer 3 und der Steuerkammer 2 mit dem Solenoidventil verbindet. Die Fig. 4 zeigt einen alternativ ausgebildeten Injektor, der ohne Steuerkammer 2 auskommt, beispielsweise ein Injektor, bei welchem die Nadel 6 durch ein Piezoelement angesteuert wird. Das nachfolgende Gleichungssystem bezieht sich nicht auf die in Figur 4 gezeigte Ausführung. Die Formulierung eines entsprechenden Gleichungssystems kann analog zu dem nachstehend gezeigten Gleichungssystem erfolgen.
Das dynamische Verhalten des Strukturmodells wird durch folgende Gleichungssysteme beschrieben:
Druckdynamik
Die zeitliche Entwicklung des Druckes innerhalb jedes der Volumina wird auf Basis einer Kombination des Massenerhaltungssatzes und der Druck-Dichte-Charakteristik des flüssigen Kraftstoffes berechnet. Die zeitliche Entwicklung des Druckes ergibt sich aus:
Verwendete Formelzeichen pIA Druck in der Eingangsspeicherkammer 1 in bar
pcc Druck in der Steuerkammer 2 in bar
PjC Druck im Verbindungsvolumen 5 in bar
pAC Druck in der Speicherkammer 3 in bar
pSA Druck in der kleinen Speicherkammer 4 in bar
pIA Dieselmassendichte innerhalb der Eingangsspeicherkammer 1 in kg/m3
pcc Dieselmassendichte innerhalb der Steuerkammer 2 in kg/m3
PjC Dieselmassendichte innerhalb des Verbindungsvolumens 5
in kg/m3
pAC Dieselmassendichte innerhalb der Speicherkammer 3 in kg/m3
pSA Dieselmassendichte innerhalb der kleinen Speicherkammer 4
in kg/m3
Kf Kompressionsmodul des Dieseltreibstoffs in bar Nadeldynamik
Die Nadelposition wird anhand der folgenden Bewegungsgleichung berechnet:
0 < 7 < 7 Gl. 2.3
Verwendete Formelzeichen:
z Nadelposition in Metern (m)
zmax Maximale Auslenkung der Nadel 6 in m
K Federsteifigkeit in N/m
B Federdämpfungskoeffizient in N.s/m
Fpre Federvorspannung in N
AAC Hydraulische Wirkfläche in der Speicherkammer 3 in m2
ASA Hydraulische Wirkfläche in der kleinen Speicherkammer 4
in m2
Acc Hydraulische Wirkfläche in der Steuerkammer 2 in m2
Dynamik des Solenoidventils
Das Solenoidventil wird durch eine Transferfunktion erster Ordnung modelliert, welche den Ventilöffnungsbefehl in eine Ventilposition umwandelt. Diese ist gegeben durch:
Das transiente Systemverhalten wird durch die Zeitkonstante xSOi charakterisiert und die Position der Nadel 6 bei der maximalen Ventil Öffnung ist durch z™fi gegeben. Statt einem Solenoidventil ist auch eine piezoelektrische Betätigung möglich.
Massenflussraten
Die Massenflussrate durch jedes Ventil wird aus der Standarddrosselgleichung für Flüssigkeiten berechnet, welche lautet:
n _ { Pin if Pin ^ Pout r> n o Verwendete Formelzeichen:
rhin Massenflussdichte über die Eingangsdrossel in kg/s
mbd Massenflussrate über das Bypassventil zwischen
Speicherkammer 3 und Verbindungsvolumen 5 in kg/s
mzd Massenflussrate über das Speiseventil beim Einlass der
Steuerkammer 2 in kg/s
mad Massenflussrate über das Auslassventil der Steuerkammer 2
in kg/s
rhsol Massenflussrate über das Solenoidventil in kg/s
rhaci Massenflussrate über den Einlass der Speicherkammer 3 in kg/s rhann : Massenflussrate über den Nadelsitz in kg/s
rhinJ Massenflussrate über die Injektordüse in kg/s
Auf Basis des oben formulierten Injektormodells erhält der Fachmann mittels des Beobachters in an sich bekannter Weise (siehe z. B. Isermann, Rolf, „Digitale Regelsysteme", Springer Verlag Heidelberg 1977, Kapital 22.3.2, Seite 379 ff. oder F. Castillo et al., „Simultaneous Air Fraction and Low-Pressure EGR Mass Flow Rate Estimation for Diesel Engines", IFAC Joint Conference SSSC - 5th Symposium on System Structure and Control, Grenoble, France 2013) den abgeschätzten Wert fhd und/oder z und das Zustandssignal C.
Unter Verwendung obiger Gleichungssysteme konstruiert man die sogenannten Beobachtergleichungen („observer equations"), vorzugsweise unter Verwendung eines an sich bekannten Beobachters vom„sliding mode observer" -Typ, indem man zu den Gleichungen des Injektormodells das sogenannte Beobachtergesetz („observer law") hinzufügt. Bei einem „sliding mode" Beobachter erhält man das Beobachtergesetz durch Berechnung einer Hyperfläche („hypersurface") aus dem wenigstens einen Messsignal und jenem Wert, der sich aus den Beobachtergleichungen ergibt. Durch Quadrierung der Gleichung der Hyperfläche erhält man eine verallgemeinerte Ljapunovgleichung (verallgemeinerte Energiegleichung). Dabei handelt es sich um eine Funktionalgleichung. Das Beobachtergesetz ist jene Funktion, welche die Funktionalgleichung minimiert. Diese kann durch die an sich bekannten Variationstechniken oder numerisch bestimmt werden. Dieser Vorgang wird innerhalb eines Verbrennungszyklus für jeden Zeitschritt (abhängig von der zeitlichen Auflösung der Regelung) durchgeführt.
Das Ergebnis ist je nach Anwendung die abgeschätzte eingespritzte Masse an flüssigem Kraftstoff, die Position der Nadel 6 oder einer der Drücke in einem der Volumina des Injektors.

Claims

Patentansprüche
1. Brennkraftmaschine, mit:
- einer Regeleinrichtung
- wenigstens einem durch die Regeleinrichtung über ein Aktuatoransteuersignal regelbaren Injektor für flüssigen Kraftstoff, wobei der wenigstens eine Injektor über eine durch eine Nadel verschließbare Ausbringöffnung für den flüssigen Kraftstoff verfügt
- und wobei ein Sensor vorgesehen ist, durch welchen eine Messgröße des wenigstens einen Injektors messbar ist, wobei der Sensor in Signalverbindung mit der Regeleinrichtung steht oder bringbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass in der Regeleinrichtung ein Algorithmus abgelegt ist, welcher anhand von Eingangsgrößen und eines Injektormodells einen Zustand des Injektors berechnet und den mittels des Injektormodells berechneten Zustand mit einem Sollzustand vergleicht und in Abhängigkeit des Ergebnisses ein Zustandssignal (C) erzeugt, welches charakteristisch für eine bei bestimmungsgemäßem Gebrauch des Injektors auftretende Änderung des Zustandes des Injektors und/oder eine unvorhergesehene Änderung des Zustandes des Injektors ist, wobei die Eingangsgrößen zumindest das Aktuatoransteuersignals (At) und die Messwerte (y) des Sensors umfassen.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 , wobei der Algorithmus eine Vorsteuerung (FF) aufweist, welche aus einem gewünschten Sollwert {mr d er) der Masse an flüssigem Kraftstoff und/oder einem Nadelpositionssollwert (zref) ein Vorsteuersignal (Atff) für das Aktuatoransteuersignal (At) berechnet.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, wobei der Algorithmus eine Rückkopplungsschleife (FB), welche unter Berücksichtigung des von der Vorsteuerung berechneten Aktuatoransteuersignals (At) und der wenigstens einen Messgröße (y) mittels des Injektormodells die über die Ausbringöffnung des Injektors ausgebrachte Masse an flüssigem Kraftstoff und/oder die Position der Nadel berechnet und ggf. das Aktuatoransteuersignals (At)korrigiert.
4. Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Algorithmus einen Beobachter aufweist, welcher unter Verwendung des Injektormodells und unter Berücksichtigung des Aktuatoransteuersignals (At) und der wenigstens einen Messgröße (y) die eingespritzte Masse (fhd) an flüssigem Kraftstoff und/oder die Position (z) der Nadel abschätzt.
5. Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Injektormodell wenigstens beinhaltet:
- die Druckverläufe (pIA, pcc, pJC, pAC, pSA) in mit dem flüssigen Kraftstoff gefüllten Volumina des Injektors
- Massenflussraten (r ) zwischen den mit dem flüssigen Kraftstoff gefüllten Volumina des Injektors
- eine kinematische Größe der Nadel, vorzugsweise eine Position (z) der Nadel, bevorzugt relativ zum Nadelsitz
- Dynamik des Aktuators der Nadel, vorzugsweise Dynamik eines Solenoidventils
6. Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Injektor wenigstens aufweist:
- eine mit einer Common-Rail der Brennkraftmaschine verbundene Eingangsspeicherkammer (1 )
- eine mit der Eingangsspeicherkammer (1 ) verbundene Speicherkammer (3) für flüssigen Kraftstoff
- einem mit der Speicherkammer (3) verbundenen Volumen (4) über Nadelsitz
- einem einerseits mit der Speicherkammer (3) und andererseits mit einer Ablaufleitung verbundenen Verbindungsvolumen (5)
- eine durch eine Nadel (6) verschließbare und mit dem Volumen (4) über Nadelsitz verbundene Ausbringöffnung für flüssigen Kraftstoff - einen mittels des Aktuatoransteuersignals ansteuerbaren Aktuator, vorzugsweise Solenoidventil, zum Öffnen der Nadel (6)
- vorzugsweise einer einerseits mit der Speicherkammer (3) und andererseits mit dem Verbindungsvolumen (5) verbundenen Steuerkammer (2)
Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine Messgröße ausgewählt ist aus den folgenden Größen oder einer Kombination daraus:
- Druck (pCR) in einer Common-Rail der Brennkraftmaschine
- Druck (pIA) in einer Eingangsspeicherkammer (1 ) des Injektors
- Druck (pcc) in einer Steuerkammer (2) des Injektors
- Beginn des Abhebens der Nadel (6) vom Nadelsitz
Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, wobei die Regeleinrichtung dazu ausgebildet ist, ein Zustandssignal zu erzeugen, welches Auskunft über eine Abweichung wenigstens einer der Messgrößen relativ zu einem vorgegebenen Wert zu geben.
9. Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Regeleinrichtung dazu ausgebildet ist, den Algorithmus während jedes
Verbrennungszyklus oder ausgewählter Verbrennungszyklen der Brennkraftmaschine auszuführen.
10. Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Regeleinrichtung dazu ausgebildet ist, den Algorithmus während jedes
Verbrennungszyklus oder ausgewählter Verbrennungszyklen der Brennkraftmaschine auszuführen.
1 1 . Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Regeleinrichtung dazu ausgebildet ist, den Algorithmus während jedes
Verbrennungszyklus oder ausgewählter Verbrennungszyklen der Brennkraftmaschine auszuführen und die aufgetretenen Abweichungen statisch auszuwerten.
12. Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Regeleinrichtung dazu ausgebildet ist, auf Basis des Zustandssignals
(C) eine verbleibende Lebensdauer des Injektors und/oder ob der Injektor auszutauschen ist, zu bestimmen.
13. Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Regeleinrichtung dazu ausgebildet ist, auf Basis des Zustandssignals
(C) eine Korrektur des Aktuatoransteuersignals (At) und/oder des Vorsteuersignals (Atff) vorzunehmen.
14. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei einem Brennraum der Brennkraftmaschine flüssiger Kraftstoff zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass anhand von Eingangsgrößen und eines Injektormodells ein Zustand des Injektors berechnet wird und der mittels des Injektormodells berechnete Zustand mit einem Sollzustand verglichen wird und in Abhängigkeit des Ergebnisses ein Zustandssignal (C) erzeugt wird, welches charakteristisch für eine bei bestimmungsgemäßem Gebrauch des Injektors auftretende Änderung des Zustandes des Injektors und/oder eine unvorhergesehene Änderung des Zustandes des Injektors ist, wobei die Eingangsgrößen zumindest das Aktuatoransteuersignal (At) und die Messwerte (y) des Sensors umfassen.
15. Verfahren zum Betreiben eines Injektors, mit welchem Injektor flüssiger Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass anhand von Eingangsgrößen und eines Injektormodells ein Zustand des Injektors berechnet wird und der mittels des Injektormodells berechnete Zustand mit einem Sollzustand verglichen wird und in Abhängigkeit des Ergebnisses ein Zustandssignal (C) erzeugt wird, welches charakteristisch für eine bei bestimmungsgemäßem Gebrauch des Injektors auftretende Änderung des Zustandes des Injektors und/oder eine unvorhergesehene Änderung des Zustandes des Injektors ist, wobei die Eingangsgrößen zumindest das Aktuatoransteuersignal (At) und die Messwerte (y) des Sensors umfassen.
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