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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine,
bei dem ein Kraftstoffdruck von in einem Kraftstoffhochdruckspeicher
eines Common-Rail-Einspritzsystems der Brennkraftmaschine befindlichem
Kraftstoff geregelt wird, indem mindestens eine Regelgröße
erfasst wird und in Abhängigkeit von der Regelgröße
mindestens eine Stellgröße zum Einstellen mindestens
eines Aktors ermittelt wird. Außerdem betrifft die Erfindung
eine Regeleinrichtung für eine Brennkraftmaschine, zum
Regeln eines Kraftstoffdrucks nach dem genannten Verfahren. Unter
einem Common-Rail-Einspritzsystem ist ein Speichereinspritzsystem
zu verstehen, das einen üblicherweise für alle
Brennräume der Brennkraftmaschine gemeinsamen Kraftstoffhochdruckspeicher
(Rail) aufweist.
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Aus
der
DE 10 2004
016 943 A1 ist ein Verfahren zum Steuern einer Kraftstoffzuführeinrichtung
einer Brennkraftmaschine bekannt. Gemäß diesem
Verfahren wird in einer ersten Betriebsart mittels eines ersten Reglers
ein Stellsignal für ein Volumenstromsteuerventil der Kraftstoffzuführeinrichtung
und in einer zweiten Betriebsart mittels eines zweiten Reglers ein
Stellsignal für einen elektromechanischen Druckregulator
erzeugt. In diesem Verfahren ist vorgesehen, dass in Abhängigkeit
von einem erfassten Kraftstoffdruck zwischen den beiden Betriebsarten
hin- und hergeschaltet wird.
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Nachteilig
an diesem Verfahren ist, dass die beiden Regler getrennt voneinander
entworfen beziehungsweise synthetisiert werden müssen,
wobei oftmals zahlreiche Kennfelder verwendet werden müssen. Einzelne
Parameter der Regler beziehungsweise der Kennfelder müssen
für jeden Typ der Brennkraftmaschine beziehungsweise für
jeden Typ eines Fahrzeugs, in dem die Brennkraftmaschine eingebaut
ist, neu ermittelt werden. Folglich ist ein Applikationsaufwand
zum Anpassen des bekannten Verfahrens an einen bestimmten Typ der
Brennkraftmaschine beziehungsweise des Kraftfahrzeugs sehr hoch.
Ist das Verfahren einmal an einen bestimmten Typ der Brennkraftmaschine
beziehungsweise des Kraftfahrzeugs angepasst worden, so kann es
ohne erneute Anpassung praktisch nicht in Verbindung mit einem anderen
Typ der Brennkraftmaschine beziehungsweise des Kraftfahrzeugs angewendet
werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer
Brennkraftmaschine anzugeben, bei dem ein Aufwand zur Anpassung
des Verfahrens an einen bestimmten Typ der Brennkraftmaschine, an
einen bestimmten Typ eines Kraftfahrzeugs, in dem die Brennkraftmaschine
eingebaut ist, oder an einen bestimmten Typ eines Einspritzsystems
der Brennkraftmaschine möglichst gering ist. Das Verfahren
soll also eine möglichst große Wiederverwendbarkeit
in einer Vielzahl von Typen von Brennkraftmaschinen, Kraftfahrzeugen
beziehungsweise Einspritzsystemen aufweisen, so dass ein Applikationsaufwand
beim Einsatz des Verfahrens in Verbindung mit mehreren Typen von
Brennkraftmaschinen, Kraftfahrzeugen beziehungsweise Einspritzsystemen
gering ist.
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Die
Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Regeleinrichtung
für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs
8 gelöst. Bei der Brennkraftmaschine handelt es sich vorzugsweise
um eine Fahrzeugbrennkraftmaschine, beispielsweise für
ein Kraftfahrzeug oder ein Nutzfahrzeug.
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Erfindungsgemäß wurde
erkannt, dass eine besonders zuverlässige und in Verbindung
mit verschiedenen Typen von Brennkraftmaschinen anwendbare Regelung
des Kraftstoffdrucks bereitgestellt werden kann, wenn mehrere Zustandsgrößen
gemeinsam zum Ermitteln der Stellgröße herangezogen
werden. Auf diese Weise kann der Kraftstoffdruck im ganzen Betriebsbereich
der Brennkraftmaschine geregelt werden, ohne dass hierzu ein Hin-
und Herschalten zwischen verschiedenen Betriebsarten erforderlich
wäre. Zudem reicht es aus, einen einzigen Regler in Form
eines Zustandsreglers vorzusehen, wodurch der Aufwand für
die Anpassung beziehungsweise Parametrisierung des Verfahrens erheblich
reduziert wird.
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Als
Zustandsgröße können beliebige Größen,
die den Zustand des zu regelnden Systems, das heißt des
Einspritzsystems, beschreiben, herangezogen werden. Es ist jedoch
bevorzugt, dass mindestens eine Zustandsgröße
einer Regelgröße entspricht. Die Regelgröße
wird beim Ausführen des Verfahrens in ohnehin erfasst oder
ermittelt und kann somit besonders einfach, ohne zusätzlichen
Aufwand als Zustandsgröße vorgehalten werden.
Bei der Regelgröße handelt es sich vorzugsweise
um den Kraftstoffdruck, der mittels eines mit dem Kraftstoffhochdruckspeicher
hydraulisch gekoppelten Drucksensors erfasst werden kann.
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Es
ist bevorzugt, dass mindestens eine Zustandsgröße
in Abhängigkeit von mindestens einer Sollgröße
berechnet wird. Hierzu können Rechenmittel vorgesehen werden,
denen die Sollgröße zugeführt wird und die
die Zustandsgröße berechnen. Hierdurch können
auch solche Größen als Zustandsgrößen
herangezogen werden, die nicht oder nur mit einem hohen Aufwand
unmittelbar, d. h. mittels Sensoren, erfasst werden können.
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Alternativ
oder ergänzend hierzu kann vorgesehen werden, dass mindestens
eine Zustandsgröße mittels eines Beobachterelements
anhand der erfassten Regelgröße und/oder der Stellgröße
geschätzt wird. Es ist denkbar, dass der Zustandsraum mittels
Sensoren erfasste Zustandsgrößen, von den Rechenmitteln
berechnete Zustandsgrößen und/oder mittels des
Beobachterelements geschätzte Zustandsgrößen
umfasst. Das Beobachterelement kann einen Kalman-Filter, ein Unscented-Kalmann-Filter
und/oder einen Luenberger-Beobachter aufweisen.
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Es
hat sich gezeigt, dass der Kraftstoffdruck, eine Durchflussrate
von Kraftstoff durch eine Zumesseinheit einer Kraftstoffhochdruckpumpe
des Einspritzsystems und/oder eine Rückflussrate des Kraftstoffs
von dem Kraftstoffhochdruckspeicher durch ein zwischen dem Hochdruckspeicher
und einem Niederdruckbereich des Einspritzsystems angeordnetes Druckregelventil
des Einspritzsystems besonders dafür geeignet sind, als Zustandsgröße
herangezogen zu werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass
als Stellgröße eine erste Stellgröße
zum Einstellen eines Öffnungsgrads der Zumesseinheit und/oder
eine zweite Stellgröße zum Einstellen eines Öffnungsgrads
des Druckregelventils ermittelt wird. Die Zumesseinheit und/oder
das Druckregelventil können mittels elektromagnetischer
Aktoren innerhalb eines Stellbereichs kontinuierlich und/oder in
mehreren Stufen einstellbar ausgebildet sein.
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Um
das Regelverhalten des Verfahrens zu verbessern, kann vorgesehen
werden, dass mindestens eine Führungsgröße
vorgegeben wird, in Abhängigkeit von der Führungsgröße
mindestens eine Vorsteuergröße ermittelt wird
und die Vorsteuergröße der Stellgröße
zum Vorsteuern additiv oder subtraktiv überlagert wird. Hierdurch
wird eine Vorsteuerung bereitgestellt, welche eine relativ schnelle
Reaktion des Verfahrens auf eine Änderung der Führungsgröße
ermöglicht.
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Um
das Verfahren mittels linearer Regelalgorithmen realisieren zu können,
ist bevorzugt, dass die Stellgröße mit Hilfe einer
nicht linearen Kennlinie zur Kompensation eines nicht linearen Zusammenhangs
zwischen der Stellgröße und einer von dem Aktor
festgelegten physikalischen Größe korrigiert wird.
Hierbei ist bevorzugt, dass insbesondere der nicht lineare Zusammenhang
zwischen der ersten Stellgröße und einer Kraftstoffdurchflussrate
durch die Zumesseinheit mittels einer entsprechenden nicht linearen
Kennlinie korrigiert wird.
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Als
eine weitere Lösung der Aufgabe wird eine Regeleinrichtung
mit den Merkmalen des Anspruchs 8 vorgeschlagen. Dadurch, dass die
erfindungsgemäße Regeleinrichtung ein als Mehrgrößenregler
ausgebildetes Regelelement aufweist, wird eine Regeleinrichtung
realisiert, die mit geringem Applikationsaufwand an einen bestimmten
Typ der Brennkraftmaschine, eines Fahrzeugs, in dem die Brennkraftmaschine
eingebaut ist beziehungsweise an einen bestimmten Typ eines Einspritzsystems
angepasst werden. Zudem lässt sich eine einmal konkret
realisierte Regeleinrichtung für eine relativ große
Anzahl verschiedener Typen von Brennkraftmaschinen verwenden, ohne
dass hierzu eine nochmalige Anpassung erforderlich wäre.
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Hierbei
ist besonders bevorzugt, dass das Regelelement zum Ausführen
des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet
ist. Die Regeleinrichtung kann als ein Steuergerät für
die Brennkraftmaschine mit einem programmierbaren Rechner ausgebildet
sein. Dementsprechend kann das erfindungsgemäße
Verfahren auf einer solchen Regeleinrichtung dadurch zur Ausführung
gebracht werden, indem diese beziehungsweise deren Rechner entsprechend
programmiert wird.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung, in welcher exemplarische Ausführungsformen
der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert
werden. Dabei zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Einspritzsystems einer Brennkraftmaschine;
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2 eine
schematische Darstellung einer Regeleinrichtung zum Betreiben der
Brennkraftmaschine;
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3 ein
Regelelement der Regeleinrichtung aus 2;
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4 ein
Detail des Regelelements aus 3;
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5 ein
Detail der Regeleinrichtung aus 2;
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6 ein
Diagramm eines nicht linearen Zusammenhangs zwischen einem Ansteuerstrom
einer Zumesseinheit des Einspritzsystems und einer Durchflussrate
von Kraftstoff durch die Zumesseinheit; und
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7 eine
graphische Darstellung des Zeitverhaltens eines Verfahrens zum Betreiben
der Brennkraftmaschine.
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Die
in 1 dargestellte Fahrzeugbrennkraftmaschine 11 für
ein Kraftfahrzeug oder Nutzfahrzeug weist ein an einen Motorblock 13 der
Brennkraftmaschine 11 angeordnetes Einspritzsystem 15 auf,
welches als ein Common-Rail-Einspritzsystem 15 ausgebildet
ist. Jedem Brennraum (nicht gezeigt) des Motorblocks 13 ist
je ein Einspritzventil 17 des Einspritzsystems 15 derart
zugeordnet, dass das entsprechende Einspritzventil 17 bei
geeigneter Ansteuerung durch eine nicht gezeigte Steuer- oder Regeleinrichtung
in einem Kraftstoffhochdruckspeicher 19 befindlichen Kraftstoff 21 in
den Brennraum einspritzen kann. Zu diesem Zweck ist jedes Einspritzventil 17 mit
dem Kraftstoffhochdruckspeicher 19 des Einspritzsystems 15 verbunden.
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Ferner
weist das Einspritzsystem 15 eine Kraftstoffhochdruckpumpe 23 auf,
die ausgangsseitig mit dem Kraftstoffhochdruckspeicher 19 verbunden
ist. Eingangsseitig ist die Kraftstoffhochdruckpumpe 23 an
einen Ausgang einer Vorförderpumpe 25 angeschlossen.
Ein Eingang der Vorförderpumpe 25 ist mit einem Kraftstofftank 27 verbunden.
Zwischen dem Kraftstoffhochdruckspeicher 19 und dem Ausgang
der Vorförderpumpe 25 beziehungsweise dem Eingang
der Kraftstoffhochdruckpumpe 23 ist ein Druckregelventil 29 angeordnet.
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Die
Kraftstoffhochdruckpumpe 23 umfasst eine Zumesseinheit 31,
die in Strömungsrichtung vor einer Pumpeinrichtung 33 der
Kraftstoffhochdruckpumpe 23 angeordnet ist. Ein Ausgang
der Pumpeinrichtung 33 bildet zugleich den Ausgang der
Kraftstoffhochdruckpumpe 23.
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Die
Pumpeinrichtung 33 ist mechanisch mit einer Welle (z. B.
Kurbelwelle oder Nockenwelle) des Motorblocks 13 derart
gekoppelt, dass der in Betrieb befindliche Motorblock 13 die
Pumpeinrichtung 33 antreiben kann.
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Sowohl
das Druckregelventil 29 als auch die Zumesseinheit 31 weisen
jeweils eine elektromagnetische Betätigungseinrichtung
zum Einstellen eines Öffnungsquerschnitts des Druckregelventils 29 beziehungsweise
der Zumesseinheit 31 auf. Die elektromagnetische Betätigungseinrichtung
des Druckregelventils 29 sowie die elektromagnetische Betätigungseinrichtung
der Zumesseinheit 31 sind jeweils mit einem Ausgang einer
Regeleinrichtung 35 der Brennkraftmaschine 11 verbunden.
Ein Eingang der Regeleinrichtung 35 ist mit einem Drucksensor 37 verbunden,
der mit einem Innenraum des Kraftstoffhochdruckspeichers 19,
in dem sich der Kraftstoff 21 befindet, hydraulisch gekoppelt
ist.
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In 2 ist
der Aufbau der Regeleinrichtung 35 anhand eines Signalflussdiagramms
näher dargestellt. In diesem Signalflussdiagramm ist außer
der Regeleinrichtung 35, wie in der Regelungstechnik üblich,
auch das zu regelnde System, nämlich das Einspritzsystem 15,
dargestellt. Die Regeleinrichtung 35 weist ein als ein Mehrgrößenregler 43 ausgebildetes
Regelelement, eine Vorsteuereinrichtung 45, einen Beobachter 47 sowie Rechenmittel 49 zum
Berechnen von Führungsgrößen (Vektor
yM) und Zustandsgrößen
(Vektor xM) auf. Ein Ausgang des Mehrgrößenreglers 43 zum
Ausgeben von Stellgrößen (Vektor uC)
und ein Ausgang der Vorsteuereinrichtung 45 zum Ausgeben
von Stellgrößenanteilen (Vektor uM)
sind an unterschiedliche Eingänge eines ersten Addierers 51 angeschlossen.
Ein Ausgang des ersten Addierers 51 zum Ausgeben von resultierenden Stellgrößen
(Vektor u) ist mit dem Einspritzsystem 15, das heißt
den elektromagnetischen Verstelleinrichtungen des Druckregelventils 29 und
der Zumesseinheit 31 sowie mit dem Beobachter 47,
verbunden. Der mittels des Drucksensors 37 erfasste Raildruck
pRail bildet eine Komponente eines Regelgrößenvektors
y. Der Regelgrößenvektor y beziehungsweise Signale,
die Werte der einzelnen Regelgrößen des Regelgrößenvektors
y charakterisieren, sind an den Mehrgrößenregler 43 sowie
an den Beobachter 47 angeschlossen.
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Ein
Ausgang des Beobachters 47 zum Ausgeben von geschätzten
Zustandsgrößen (Vektor x ^) ist an den Mehrgrößenregler 43 angeschlossen.
Ein Ausgang der Rechenmittel 49 zum Ausgeben der Führungsgrößen
yM ist mit jeweils einem entsprechenden
Eingang der Vorsteuereinrichtung 45 und des Mehrgrößenreglers 43 verbunden.
Außerdem ist der Ausgang der Rechenmittel 49 zum
Ausgeben von berechneten Zustandsgrößen xM an einen weiteren Eingang des Mehrgrößenreglers 43 angeschlossen.
Die Rechenmittel 49 weisen einen Eingang zum Eingeben von
Sollwerten (Vektor r) auf. Dieser Eingang der Rechenmittel 49 kann
mit einem entsprechenden Ausgang eines Sollwertgebers der weiteren,
nicht gezeigten Steuer- oder Regeleinrichtung der Brennkraftmaschine 11 verbunden
sein.
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Wie
mit einem gestrichelten Pfeil vom zu regelnden Einspritzsystem 15 hin
zum Mehrgrößenregler 43 dargestellt,
kann eine Zustandsrückführung vom Einspritzsystem 15 zum
Mehrgrößenregler 43 vorgesehen werden.
Als rückzuführende Zustandgröße
kann beispielsweise eine mittels eines zusätzlichen Sensors
erfasste Durchflussrate QMeUn von Kraftstoff 21 durch
die Zumesseinheit 31 herangezogen werden.
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Das
in 3 dargestellte Signalflussdiagramm zeigt den Mehrgrößenregler 43 im
Detail. Man erkennt, dass der Mehrgrößenregler 43 einen
ersten Subtrahierer 53 zum Berechnen einer Regeldifferenz
(Vektor e) aus den Führungsgrößen yM und den Sollwerten y aufweist. Ein Ausgang
des ersten Subtrahierers 53 ist mit einem Eingang eines
Integralreglers 55 des Mehrgrößenreglers 43 mit
einer Verstärkungsmatrix KI und
mit einem Eingang eines Proportionalreglers 59 des Mehrgrößenreglers 43 mit
einer Verstärkungsmatrix KP verbunden.
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Des
Weiteren weist der Mehrgrößenregler 43 einen
zweiten Subtrahierer 57 zum Berechnen einer Zustandsgrößendifferenz
(Vektor x ~) zwischen den berechneten Zustandsgrößen
xM und den geschätzten Zustandsgrößen x ^ auf.
Ein Ausgang des zweiten Subtrahierers 57 ist mit einem
weiteren Eingang des Proportionalreglers 59 und mit einem
weiteren Eingang des Integralreglers 55 verbunden.
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Ein
Ausgang des Integralreglers 55 zum Ausgeben eines Integralanteils
(Vektor uI) ist über einen zweiten
Addierer 61 mit einem Eingang eines Verzögerungselements 63 verbunden.
Ein Ausgang des Verzögerungselements 63 sowie
ein Ausgang des Proportionalreglers 59 zum Ausgeben eines
Proportionalanteils (Vektor uP) sind mit
jeweils einem Eingang eines dritten Addierers 65 verbunden.
Ein Ausgang des dritten Addierers 65 ist mit einem Eingang
eines Begrenzers 67 verbunden. Der Eingang des Begrenzers 67 sowie
ein Ausgang des Begrenzers 67 sind derart an verschiedene
Eingänge eines dritten Subtrahierers 69 angeschlossen,
dass der dritte Subtrahierer 69 Größen
(Vektor uC,ARW) am Eingang des Begrenzers 67 von
einem Signal am Ausgang des Begrenzers 67 subtrahiert und
als Ergebnis ein weitere Größen (Vektor vARW) bildet. Der Ausgang des dritten Subtrahierers 69 ist
an eine Kompensationseinrichtung 71 angeschlossen, die
einen Ausgang zum Ausgeben von noch weiteren Größen
(Vektor uARW) aufweist, der mit einem Eingang
des zweiten Addierers 61 verbunden ist. Die Kompensationseinrichtung 71,
der dritte Subtrahierer 69 sowie der Begrenzer 67 bilden
zusammen eine Anordnung 73 zum Ausgleich eines so genannten ”Reset-Windup” des
Integralreglers 55.
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Der
Ausgang des Begrenzers 67 ist außerdem mit einem
Eingang eines Kennfeldelements 75, das eine nicht lineare
Kennlinie aufweist, verbunden. Ein Ausgang des Kennfeldelements 75 bildet
den Ausgang des Mehrgrößenreglers 43 zum
Ausgeben der Stellgrößen uC.
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4 zeigt
den Aufbau der Kompensationseinrichtung 71. Der Eingang
der Kompensationseinrichtung 71 ist mit einem Eingang eines
ersten Skalierelements 77 zum Multiplizieren des Vektors
vARW mit einer konstanten Matrix BC und mit dem Eingang eines zweiten Skalierelements 79 zum
Multiplizieren des Vektors vARW mit einer
weiteren konstanten Matrix DC verbunden.
Ein Ausgang des ersten Skalierelements 77 ist über einen
vierten Addierer 81 und einem weiteren Verzögerungselement 83 mit
einem Eingang eines dritten Skalierelements 85 verbunden.
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Ein
Ausgang des Verzögerungselements 83 ist außer
mit dem Eingang des dritten Skalierelements 85, das eine
konstante Verstärkungsmatrix CC aufweist,
mit einem Eingang eines vierten Skalierelements 87 mit einer
konstanten Verstärkungsmatrix AC verbunden,
dessen Ausgang an einen weiteren Eingang des vierten Addierers 81 angeschlossen
ist. Ein fünfter Addierer 89 der Kompensationseinrichtung 71 weist
einen ersten Eingang, der mit einem Ausgang des zweiten Skalierelements 79 verbunden
ist und einen zweiten Eingang auf, der an einen Ausgang des dritten
Skalierelements 85 verbunden ist. Ein Ausgang des fünften
Addierers 89 bildet den Ausgang der Kompensationseinrichtung 71 zum
Ausgeben des Vektors uARW.
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5 zeigt
den Aufbau der Rechenmittel 49. Der Eingang für
den Sollwertvektor r ist mit einem fünften Skalierelement 91 zum
Multiplizieren des Sollwertvektors r mit einer konstanten Matrix
BM verbunden, dessen Ausgang an einen sechsten
Addierer 93 angeschlossen ist. Ein Ausgang des sechsten
Addierers 93 ist an ein drittes Verzögerungselement 95 angeschlossen.
Ein Ausgang des dritten Verzögerungselements 95 führt
zu Eingängen eines sechsten Skalierelements 97 sowie
zu einem Eingang eines siebten Skalierelements 99 mit einer
Verstärkungsmatrix CM. Das sechste
Skalierelement 97 ist zum Multiplizieren des über
den Ausgang des dritten Verzögerungselements 95 ausgegebenen
Vektors mit einer konstanten Matrix Am eingerichtet.
Ein Ausgang des sechsten Skalierelements 97 ist mit einem
weiteren Eingang des sechsten Addierers 93 verbunden. Das
siebte Skalierelement 99 ist zum Multiplizieren des vom
dritten Verzögerungselements 95 ausgegebenen Vektors
mit der konstanten Matrix Cm eingerichtet.
Der Ausgang des dritten Verzögerungselements 95 entspricht
dem Ausgang der Rechenmittel 49 zum Ausgeben der berechneten
Zustandsgrößen xM, und
der Ausgang des siebten Skalierelements 99 entspricht dem
Ausgang der Rechenmittel 49 zum Ausgeben der Führungsgrößen
yM.
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Abweichend
von der in der 2 gezeigten Ausführungsform
können die Vorsteuereinrichtung 45, der Beobachter 47 und/oder
die Rechenmittel 49 entfallen. In einer nicht gezeigten
Ausführungsform weist die Regeleinrichtung 35 lediglich
den Mehrgrößenregler 43 auf.
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Im
Folgenden wird die Funktionsweise der Regeleinrichtung 35 beziehungsweise
eines entsprechenden Regelverfahrens genauer erläutert.
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Beim
Betrieb der Brennkraftmaschine 11 fördert die
Vorförderpumpe 25 Kraftstoff aus dem Kraftstofftank 27 zum
Eingang der Hochdruckpumpe 23 und setzt den Kraftstoff 21 hierbei
unter einen relativ geringen Vorförderdruck p1 (siehe 1).
Der Kraftstoff 21 gelangt über die zumindest teilweise
geöffnete Zumesseinheit 31 zur Pumpeinrichtung 33 der
Kraftstoffhochdruckpumpe 23, die angetrieben von dem Motorblock 13 der Brennkraftmaschine 11,
den Kraftstoff 21 in den Kraftstoffhochdruckspeicher 19 fördert.
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Die
nicht gezeigte Steuer- oder Regeleinrichtung steuert die Einspritzventile 17 so
an, dass abhängig von dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine 11 zu
geeigneten Zeitpunkten die richtige Kraftstoffmenge in die Brennräume
des Motorblocks 13 eingespritzt wird. Gleichzeitig gibt
diese Steuer- oder Regeleinrichtung der Regeleinrichtung 35 einen
Sollwert r für einen momentan zum Betreiben der Brennkraftmaschine 11 benötigten
Raildruck pRail des im Kraftstoffhochdruckspeicher 19 befindlichen
Kraftstoffs 21 vor. Der Raildruck pRail ist
erheblich größer als der Vorförderdruck
p1. Der Raildruck pRail liegt üblicherweise
in einem Bereich von einigen Hundert bar von bis zu 2000 bar.
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Die
Regeleinrichtung 35 erzeugt Stellgrößen
in Form eines Ansteuerstroms iMeUn für
die Zumesseinheit 31 und eines Ansteuerstroms iPCV für das Druckregelventil 29.
Das heißt, durch Andern dieser Ansteuerströme iMeUn beziehungsweise iPCV stellt
die Regeleinrichtung 35 einen Öffnungsgrad der
Zumesseinheit 31 beziehungsweise des Druckregelventils 29 ein.
Hierbei ermittelt die Regeleinrichtung 35 den Wert der
Ansteuerströme iMeUn beziehungsweise
iPCV in Abhängigkeit von dem Sollwert
r und den mittels des Drucksensors 37 erfassten Druck pRail im Kraftstoffspeicher 19 (Raildruck).
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Beispielsweise
kann die Regeleinrichtung 35 durch Erhöhen des
Ansteuerstroms iMeUn ein Öffnungsgrad
der Zumesseinheit 31 verringern und somit die Durchflussrate
QMeUn durch die Kraftstoffhochdruckpumpe 23 drosseln.
Hierdurch wird der Raildruck pRail verringert
oder zumindest ein Ansteigen des Raildrucks pRail verlangsamt
oder vermieden. Außerdem kann die Regeleinrichtung 35 mittels
des Ansteuerstroms iPCV den Öffnungsquerschnitt
des Druckregelventils 29 beeinflussen und somit eine Rückflussrate
QPCV von dem Kraftstoffhochdruckspeicher 19 zurück
zum Ausgang der Vorförderpumpe 25 beziehungsweise
dem Eingang der Kraftstoffhochdruckpumpe 23 beeinflussen.
Eine Erhöhung der Rückflussrate QPCV wirkt
sich in der Regel druckmindernd auf den Raildruck pRail aus.
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Da
der Raildruck pRail erheblich größer
ist als der Vorförderdruck p1,
werden diejenigen Bereiche des Einspritzsystems 15, die
mit dem Kraftstoffhochdruckspeicher 19 hydraulisch unmittelbar
gekoppelt sind, als Hochdruckbereich 39 des Einspritzsystems 15 bezeichnet,
wohingegen diejenigen Bereiche des Einspritzsystems 15,
die hydraulisch unmittelbar mit dem Ausgang der Vorförderpumpe 25 gekoppelt
sind, als Niederdruckbereich 41 bezeichnet werden.
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Wie
aus den 1 und 2 ersichtlich
ist, wird beim Betrieb der Brennkraftmaschine 11 der Raildruck
pRail als eine Regelgröße,
die eine Komponente des Regelgrößenvektors y bildet,
erfasst. Zudem werden den Rechenmitteln 49 eine oder mehrere
Sollgrößen, die Komponenten des Sollgrößenvektors
r sind, vorgegeben. Die Regeleinrichtung 35 berechnet insbesondere
in Abhängigkeit von dem Sollwertvektor r und dem Regelgrößenvektor
y den Stellgrößenvektor uC.
Der Sollgrößenvektor r kann als Komponenten einen
Sollwert des Raildrucks pRail und/oder weitere
Sollwerte, wie beispielsweise einen Sollwert der Rückflussrate
QPCV aufweisen. Dem Stellgrößenvektor
uC wird der Vektor uM,
der den Stellgrößenanteil charakterisiert, überlagert,
um den Vektor u zu erhalten, der als Komponenten die resultierenden
Stellgrößen in Form der Ansteuerströme iMeUn sowie iPCV enthält.
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Die
Regeleinrichtung 35 stellt mit einem einzigen Regelelement,
nämlich mit dem Mehrgrößenregler 43,
gleichzeitig zwei Aktoren, nämlich die Zumesseinheit 31 und
das Druckregelventil 29 ein. Beim Regeln der Brennkraftmaschine 11 kann
somit nahtlos zwischen verschiedenen Regelstrategien gewechselt
werden. Als Regelstrategien können beispielsweise vorgesehen
werden: eine Regelung, bei der lediglich die Zumesseinheit 31 (engl.
Metering Unit, MeUn) eingestellt wird und das Druckregelventil 29 geschlossen
bleibt (MeUn-Regelung), eine Regelung, bei der ohne Variation des Öffnungsgrads
der Zumesseinheit 31 der Raildruck pRail lediglich
durch Verstellen des Druckregelventils 29 (engl. Pressure
Control Valve, PCV) geregelt wird (PCV-Regelung) oder eine Regelung,
bei der sowohl die Zumesseinheit 31 als auch das Druckregelventil 29 verstellt werden
(gekoppelte Druckregelung, engl. Coupled Pressure Control, CPC).
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Sämtliche
Regelstrategien können mit dem Mehrgrößenregler 43 realisiert
werden, das heißt es müssen für die einzelnen
Regelstrategien keine getrennten Regelelemente vorgesehen werden.
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Der
Mehrgrößenregler 43 hält den
momentanen Zustand des zu regelnden Systems, das heißt
des Einspritzsystems 15, in einem Zustandsvektor x, der
zu einem Zustandsraum X gehört vor, das heißt
x ∊ X. Der Zustandsraum X kann als Zustandsgrößen
den Raildruck pRail, die Rückflussrate
QPCV durch das Druckregelventil 29,
die Durchflussrate QMeUn durch die Zumesseinheit 31 und
einen Integralanteil pRail,l des Raildrucks pRail umfassen. Der Integralanteil pRail,l des Raildrucks pRail kann
nicht unmittelbar erfasst werden. Er wird indirekt durch Integration
einer Führungsgröße des Raildrucks, die
beispielsweise von den Rechenmitteln 49 berechnet werden
kann, ermittelt. Dadurch, dass der Mehrgrößenregler 43 den
Integralanteil als Zustandsgröße aufweist, wird
erreicht, dass beim Betrieb des Einspritzsystems 15 eine
Regelabweichung des Raildrucks prail zumindest
weitgehend zu Null wird, sodass nach einem Einregeln keine von Null
verschiedene Regelabweichung über längere Zeit
verbleibt.
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Die
Dimensionierung und Auslegung des Mehrgrößenreglers 43 erfolgt
durch Betrachtung der Zustandsgrößen x im Zustandsraum
X. Hierfür werden Modelle mit physikalischen Größen
verwendet, die die Systemdynamik, die inverse Systemdynamik und
die Führungsgrößen abbilden. Die Regeleinrichtung 35 gemäß der
gezeigten Ausführungsform arbeitet zeitdiskret. Folglich
erfolgt die Beschreibung dieser Modelle insbesondere mit Hilfe von
Differenzengleichungen. Darüber hinaus können
auch andere Beschreibungsansätze zur Beschreibung der Modelle,
wie beispielsweise Automaten, Differenzialgleichungen oder ganz
allgemein mathematischen Funktionen verwendet werden. Hierbei kann
die Beschreibung im Zeitbereich und/oder im Frequenzbereich vorgenommen
werden und je nach Bedarf zeitkontinuierlich oder zeitdiskret erfolgen.
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Unter
Verwendung dieser Modellierungsansätze kann der Mehrgrößenregler 43 synthetisiert
werden, wobei der Mehrgrößenregler 43 je
nach Dimensionierung eine der drei oben genannten Regelungsstrategien realisiert
oder beispielsweise in Abhängigkeit vom Systemzustand x
zwischen diesen Regelungsstrategien hin und her wechselt. Hierdurch
wird eine hohe Wiederverwendbarkeit der Regeleinrichtung 35 erreicht.
Beispielsweise kann eine für die in 1 gezeigte
Brennkraftmaschine 11 mit der Zumesseinheit 31 und
dem Druckregelventil 29 entworfene Regeleinrichtung 35 auch
für eine Brennkraftmaschine 11 verwendet werden,
die lediglich einen Aktor, beispielsweise nur die Zumesseinheit 31,
aufweist. Beim Betrieb einer solchen Brennkraftmaschine 11 ohne
Druckregelventil 29 wird im Zustandsvektor x die Komponente,
die die Rückflussrate QPCV durch
die Zumesseinheit 31 charakterisiert, auf Null gesetzt.
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Es
ist denkbar, den Beobachter 47 zum Generieren von Informationen über
den momentanen Systemzustand zu verwenden, die bei der Überwachung
und der Diagnose der Brennkraftmaschine 11 beziehungsweise
des Einspritzsystems 15 verwendet werden können.
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Einige
Komponenten der Regeleinrichtung 35 sind optimal, das heißt
abweichend von der gezeigten Ausführungsform können
beispielsweise die Vorsteuereinrichtung 45, die Rechenmittel 49 und/oder
der Beobachter 47 entfallen.
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Das
Verhalten des Einspritzsystems 15 kann in zeitdiskreter
Form mittels Differenzengleichungen dargestellt werden. Hierzu kann
eine Systemgleichung und eine Ausgangsgleichung aufgestellt werden
und Anfangsbedingungen in Form eines Anfangszustandsgrößenvektors
x0 vorgegeben werden. Allgemein lässt
sich das Einspritzsystem 15 also folgendermaßen
beschreiben: Systemgleichung: x(k + 1) = Ax(k)
+ Bu(k); Ausgangsgleichung: y(k) = Cx(k)
+ Du(k); Anfangszustandsgrößenvektor
x(0) = x0.
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Hierbei
steht A für eine Systemmatrix der Regelstrecke, B für
eine Eingangsmatrix der Regelstrecke, C für eine Ausgangsmatrix
der Regelstrecke und D für eine Durchgangsmatrix der Regelstrecke.
Die Regelstrecke ist hierbei als ein Modell des Einspritzsystems 15 zu
betrachten (siehe Darstellung des Einspritzsystems 15 als
gestrichelter Kasten in 2). Die Variable k steht für
die Zeit, das heißt für die Nummer des Abtastschrittes
des zeitdiskret arbeitenden Mehrgrößenreglers 43.
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Der
Zustandsgrößenvektor x umfasst hierbei den Raildruck
p
rail, die Rückflussrate Q
PCV durch das Druckregelventil
29 sowie
die Durchflussrate Q
MeUN durch die Zumesseinheit
31,
das heißt
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Der
Eingangsgrößenvektor u umfasst die beiden Ansteuerströme
i
MeUN sowie i
PCV und
der Ausgangsgrößenvektor y, der dem Regelgrößenvektor
der Regeleinrichtung
35 entspricht, umfasst den Raildruck
p
Rail sowie die Durchflussrate Q
PCV durch das Druckregelventil
29,
das heißt
-
Um
das Regelverhalten der Regeleinrichtung
35 weiter zu verbessern,
kann – wie in der gezeigten Ausführungsform geschehen – im
Zustandsgrößenvektor ein erweiterter Anteil x
I vorgesehen werden, der Integralanteile
der Zustandsgrößen aufweist. Hierbei kann vorgesehen
werden, dass der erweiterte Anteil x
I lediglich
den Integralanteil p
rail,l des Raildrucks
p
rail umfasst. Eine solche um den Integralanteil
erweiterte Darstellung des Einspritzsystems
15 umfasst
die folgenden Gleichungen:
-
Man
erkennt, dass der Zustandsgrößenvektor x und der
Regelgrößenvektor y jeweils um den Integralanteil
prail,l des Raildrucks prail ergänzt
sind.
-
Zur
Synthese des Mehrgrößenreglers 43 können
bekannte Methoden der Regelungstechnik wie beispielsweise Polzuweisung,
die H∞-Methode, die Eigenwertvorgabe
nach Ackermann, Optimalregelung (LU-Regelung) beispielsweise über
Zustandsrückführung oder Ausgangsrückführung,
Optimalregelung beispielsweise unter Verwendung der Riccati-Gleichung
in Matrixform oder unter Verwendung der Hamilton-Jacobi-Bellman-Gleichung
verwendet werden.
-
Ausgehend
von der Modellierung des Einspritzsystems 15 anhand der
Gleichungen ohne den Integralanteil kann bei der Synthese des Mehrgrößenreglers 43 beispielsweise
der Ansatz der optimalen Ausgangsrückführung verfolgt
werden, wobei ein quadratisches Gütefunktional J = xT(k)Px(k)zugrunde
gelegt wird. Zur Synthese des Mehrgrößenreglers 43 ist
das Gütefunktional J zu minimieren. Die Matrix P entspricht
der Riccati-Matrix. Aus der Riccati-Gleichung folgt (A – BKPC)TP + P(A – BKPC) + CTKP TRKPC
+ Q = 0.
-
Ziel
dieses Optimierungsproblems ist es, dem Proportionalregler 59 zu
dimensionieren, das heißt eine Verstärkungsmatrix
KP des Proportionalreglers 59 zu
berechnen. Es gilt KP =
R–1BTPLCT(CLCT)–1 wobei
das Formelzeichen L für eine Beobachtermatrix steht, für
die gemäß der Lyapunov-Gleichung folgender Zusammenhang
gilt: (A – BKPC)L
+ L(A – BKPC)T +
I = 0.
-
Abweichend
von der gezeigten Ausführungsform (siehe 3)
kann der Integralregler 55 entfallen. In diesem Fall kann
jedoch bei Auftreten von Störgrößen im
Einspritzsystem 15 eine bleibende Regeldifferenz e auftreten,
die vom Mehrgrößenregler 43 nicht vollständig
ausgeglichen, das heißt auf den Wert e = 0 geregelt wird.
Um ein zuverlässiges Ausgleichen der Regeldifferenz e zu
erzielen, ist in der gezeigten Ausführungsform zusätzlich
zum Proportionalregler 59 der Integralregler 55 mit
einer Verstärkungsmatrix KI vorgesehen. Das heißt
die Regelstrecke ist künstlich um Integralanteile erweitert
worden.
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Die
in 3 dargestellte Anordnung 73 zur Vermeidung
des Reset-Windup (ARW-Anordnung) wirkt störenden Auswirkungen
entgegen, die dadurch entstehen, dass ein Integralanteil uI der Stellgröße betragsmäßig
immer weiter ansteigt, solange sich mindestens einer der Aktoren 29, 31 an
einer Grenze seines Stellbereichs befindet. Der Begrenzer 67 ist
so ausgelegt, dass er zum Begrenzen der vom dritten Addierer 65 ausgegebenen
Größe uC, ARW eingreift,
solange sich mindestens einer der Aktoren 29, 31 zumindest
in der Nähe der Grenze seines Stellbereichs befindet. Greift
der Begrenzer 67 ein, dann unterscheiden sich seine Eingangsgrößen
von seinen Ausgangsgrößen, was zu von Null verschiedenen
Ausgangsgrößen vARW des
dritten Subtrahierers 69 führt. Hierdurch wird
die Kompensationseinrichtung 71 aktiviert und greift in
den Signalpfad zwischen dem Integralregler 55 und dem Begrenzer 67 ein,
indem er sein Ausgangssignal uARW mittels
des zweiten Addierers 61 dem Ausgangssignal uI des
Integralreglers 55 überlagert. Insgesamt bewirkt
die ARW-Einrichtung 73 eine Verbesserung der Dynamik und
der Stabilität sowie eine Reduzierung der Schwingungsneigung
des Mehrgrößenreglers 43. Das Verhalten
der Kompensationseinrichtung 71 lässt sich mittels der
folgenden Gleichungen beschreiben: Systemgleichung:
xC(k + 1) = ACxC(k) + BCvARW(k) Ausgangsgleichung:
uARW(k) = CCxC(k) + DCvARW(k) Anfangszustandsgrößenvektor;
xC(0) = xC.0
-
Hierbei
handelt es sich bei der Matrix AC um eine
Systemmatrix der Kompensationseinrichtung 71, bei der Matrix
BC um eine Eingangsmatrix der Kompensationseinrichtung 71,
bei der Matrix CC um eine Ausgangsmatrix
der Kompensationseinrichtung 71 und bei der Matrix DC um eine Durchgangsmatrix der Kompensationseinrichtung 71.
Der Wert xC,0 entspricht den Anfangszuständen
der Kompensationseinrichtung 71. Wie aus 4 ersichtlich
ist, werden die Multiplikationen der einzelnen in der Kompensationseinrichtung 71 auftretenden
Größen mit den Matrizen Ac,
BC, CD beziehungsweise
DC mit den Skalierelementen 87, 77, 85 beziehungsweise 79 durchgeführt.
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Das
Kennfeldelement 75 des Mehrgrößenreglers 43 nimmt
eine nicht lineare Transformation der vom Begrenzer 67 ausgegebenen
Größen vor, um einen nicht linearen Zusammenhang
zwischen den resultierenden Stellgrößen u, das
heißt den beiden Ansteuerströmen iMeUn sowie
iPCV und den mittels dieser Ansteuerströme
einzustellenden Größen, nämlich die Durchflussrate
QMeUn und die Rückflussrate QPCV auszugleichen. Hierzu sind in dem Kennfeldelement 75 Inversen
dieser nicht linearen Zusammenhänge abgelegt. Diese statischen nicht
linearen Zusammenhänge können beispielsweise durch
ein Polynom m-ten Grades dargestellt werden. 6 zeigt
beispielsweise den statischen linearen Zusammenhang zwischen der
Durchflussrate QMeUn durch die Kraftstoffhochdruckpumpe 23 und
dem Ansteuerstrom iMeUn zum Ansteuern der
Zumesseinheit 31. In der Darstellung von 6 ist
dieser nicht lineare Zusammenhang durch ein Polynom 7.
Grades angenähert. In entsprechender Weise kann im Kennfeldelement 75 auch
ein nicht linearer Zusammenhang zwischen der Rückflussrate
QPCV durch das Druckregelventil 29 und
dem Ansteuerstrom iPCV des Druckregelventils 29 beispielsweise
in Form eines Polynoms abgelegt werden.
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In
Abhängigkeiten von Eigenschaften der Zumesseinheit 31 bzw.
des Druckregelventils 29 kann die Durchflussrate QMeUn bzw. die Rückflussrate QPCV auch von dem Raildruck pRail abhängig
sein. Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren auch
in einem solchen Fall anwendbar ist, kann vorgesehen werden, dass
diese Druckabhängigkeit beim Ermitteln der Durchflussrate
QMeUn bzw. der Rückflussrate QPCV berücksichtigt wird. Hierfür
kann im Kennfeldelement 75 ein geeignetes mathematisches
Modell abgelegt werden. Da die Druckabhängigkeit ab einem
bestimmten Raildruck pRail oftmals linear
ist, kann die Druckabhängigkeit unter Verwendung eines
linearen Modells berücksichtigt werden.
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Der
Beobachter 47 berechnet in Abhängigkeit von dem
Regelgrößenvektor y und den resultierenden Stellgrößen
(Vektor u) geschätzte Zustandsgrößen
(Vektor x ^). Der Beobachter 47 kann also Zustandsgrößen x
schätzen, welche nicht unmittelbar mittels eines Sensors
erfasst werden können. Der Beobachter 47 kann als
Kalman-Filter, als Unscented-Kalman-Filter oder als Luenberger-Beobachter
ausgebildet sein. In der gezeigten Ausführungsform ist
der Beobachter 47 als ein Luenberger-Beobachter ausgebildet,
dessen Verhalten mit den folgenden Gleichungen beschrieben werden
kann: Zustandsgleichung: x ^(k + 1) = Ax ^(k) + Bu(k) – L[y ^(k) – y(k)] Messgleichung: y ^(k) = Cx ^(k) + Du(k) Anfangszustandsgrößenvektor x ^(0)
= x ^0
-
Hierbei
umfasst der Vektor y ^ geschätzte Regelgrößen
(in 2 nicht dargestellt). Die Matrizen A, B, C und
D entsprechen den oben bereits erläuterten Matrizen zum
Beschreiben des Verhaltens des Einspritzsystems 15.
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Ferner
erzeugt die Vorsteuereinrichtung 45 den Stellgrößenanteil
uM, der mittels des ersten Addierers 51 zu
den Stellgrößen uC addiert
wird, wobei die resultierende Stellgrößen u das
Ergebnis dieser Addition sind, d. h. den Stellgrößen
uC werden die Stellgrößenanteile
UM überlagert. Die Vorsteuereinrichtung 45 weist
ein inverses dynamisches Modell der Regelstrecke, das heißt
des Einspritzsystems 15, auf. Geeignete Verfahren zur Bereitstellung
dieses inversen Modells sind Differential-flatness, Integrator-backstepping,
Feedback-linearization. Zusätzlich zur Vorsteuerung trägt
die Vorsteuereinrichtung 45 zu einer weiteren Linearisierung
der Regelstrecke 15 bei.
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Obwohl
es prinzipiell denkbar ist, das inverse Modell durch zumindest annähernd
explizites Invertieren des Modells der Regelstrecke, das heißt
des Einspritzsystems 15 bereitzustellen, ist in der gezeigten
Ausführungsform vorgesehen, dass die Invertierung implizit
durch Regeln einer innerhalb der Vorsteuereinrichtung 45 in
Form einer Simulation nachgebildeten Regelstrecke 15 vorgenommen
wird. Hierbei regelt ein Führungsregler der Vorsteuereinrichtung 45 ein
simuliertes Modell der Regelstrecke 15 unter Rückführung
von Ausgangsgrößen des Modells der Regelstrecke 15.
Dabei erzeugt der Führungsregler Stellgrößen,
die gleichzeitig als die Stellgrößenanteile uM auf die zu regelnde Strecke aufgeschaltet
werden.
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In
der gezeigten Ausführungsform wird das Verfahren der so
genannten Proper-Inversion angewendet. Hierbei ist die zu invertierende
Repräsentation der Regelstrecke 15 in den Rückführzweig
des Führungsreglers, der beispielsweise eine Proportionalverstärkung
gemäß einer Verstärkungsmatrix KA aufweist, eingeschleift. Eine Eingangsgröße
der zu invertierenden Darstellung der Regelstrecke 15 wird
dabei als Ausgangsgröße des gewünschten
inversen Modells der Regelstrecke aufgefasst. Das mittels der Proper-Inversion
generierte inverse Modell der Regelstrecke 15 hat folgende
Form: Systemgleichung: x*(k + 1) = ⌊A – B(I
+ KAD)–1KAC⌋x*(k) + B(I + KAD)–1KAu*(k) Ausgangsgleichung: y*(k) = ⌊–(I
+ KAD)–1KAC⌋x*(k) + ⌊(I + KAD)–1KA⌋u*(k) Anfangszustandsgrößenvektor:
x*(0) = x*0
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Hierbei
entspricht der Vektor x* einem Zustandsvektor für das inverse
Systemmodell, der Vektor u* umfasst Eingangsgrößen
des inversen Systemmodells und der Vektor x0* beinhaltet
Anfangszustände des inversen Systemmodells.
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Die
Rechenmittel 49, deren Aufbau in 5 genauer
dargestellt ist, erzeugen in Abhängigkeit von dem Sollwertvektor
r die Führungsgrößen yM sowie
die berechten Zustandsgrößen xM.
Hierbei filtern die Rechenmittel 49 die Sollwerte r. Hierdurch
wird erreicht, dass beispielsweise Sprünge der Sollgrößen
sich nicht störend auf das Regelverhalten der Regeleinrichtung 35 auswirken.
Aus unstetigen Verläufen der Sollgrößen
r werden also geglättete Verläufe der Führungsgrößen
yM beziehungsweise der berechneten Zustandsgrößen xM berechnet. Außerdem wird durch
die Rechenmittel 49 ein möglichst über-
und unterschwingungsfreies Führungsverhalten der Regeleinrichtung 35 erreicht.
Das Verhalten der Rechenmittel 49 kann durch die folgenden Gleichungen
beschrieben werden: Systemgleichung: xM(k + 1) = AMxM(k) + BMr(r) Ausgangsgleichung: yM(k)
= CMxM(k) Anfangszustandsgrößenvektor:
xM(0) = xM,0
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Hierbei
steht AM für eine Systemmatrix
eines Führungsgrößenmodells, BM für eine Eingangsmatrix des Führungsgrößenmodells
und CM für eine Ausgangsmatrix
des Führungsgrößenmodells. Wie aus der
Darstellung von 5 ersichtlich werden Multiplikationen
der einzelnen dort dargestellten Größen mit den
Matrizen AM, BM beziehungsweise
CM jeweils mittels den Skalierelementen 97, 91 beziehungsweise 99 durchgeführt.
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Insgesamt
wird erfindungsgemäß eine gekoppelte Regelung
des Raildrucks pRail bereitgestellt, die
die aufeinander abgestimmte Ansteuerung des Druckregelventils 29 und
der Zumesseinheit 31 durch den Mehrgrößenregler 43 ermöglicht.
Durch die kombinierte Ansteuerung der beiden Stellglieder 29, 31 werden
deren Stellbereiche zumindest weitgehend ausgenutzt.
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Außer
dem Raildruck pRail wird als weitere Regelgröße
die Rückflussrate QPCV durch das
Druckregelventil 29 herangezogen. Die Rückflussrate
QPCV wird nicht direkt gemessen und ist
somit streng genommen keine Regelgröße im eigentlichen
Sinn. Dennoch wird die Rückflussrate QPCV beim
Entwurf des Mehrgrößenreglers 43 als
eine Regelgröße behandelt. Beim Betrieb wirkt
sie vielmehr als eine Vorsteuerung der Regelparameter in Abhängigkeit
von dem Betriebszustand. Die Rückflussrate kann über
eine in der Regeleinrichtung 35 abgelegte Kennlinie des
Druckregelventils 29 aus dem mittels des Drucksensors 37 gemessenen
Raildruck pRail ermittelt werden. Über
die Vorgabe eines Sollwerts für die Rückflussrate
QPCV gelingt eine betriebszustandsunabhängige
Einflussnahme auf das System, ohne dass eine Veränderung
einzelner Parameter der Regeleinrichtung 35 erforderlich ist.
Insbesondere kann ein explizites Umschalten oder ein Überblenden
zwischen den drei Regelstrategien vermieden werden.
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Der
geschlossene Regelkreis lässt sich unter Verwendung der
Operatoren sat (·) für die vom Begrenzer 67 vorgenommene
Begrenzung (auch als Sättigungs-Operation bezeichnet) und
des Operators NL–1 (·)
für die nicht lineare Transformation, die vom Kennfeldelement 75 vorgenommen
wird, folgendermaßen beschreiben: x(k
+ 1) = Ax(k) + Bu(k) u(k) = NL–1(sat(uP(k) + {uI(k) + uARW(k)}Tz – 1 )) + uM(k) x ^(k + 1) = Ax ^(k) + B(k)u(k) + L(y(k) + Cx ^(k|k – 1)).
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Hierbei
steht der Ausdruck x ^(k|k – 1) für eine Prädiktion
(a priori Schätzung) des Wertes x ^(k) basierend insbesondere
auf dem vorherigen Wert zum diskreten Zeitpunkt k – 1.
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In 7 ist
das zeitliche Regelverhalten der Brennkraftmaschine 11 bei
sprungförmigen Änderungen eines Sollwerts des
Raildrucks pRail dargestellt. Hierbei zeigt ein erstes Diagramm 101 den
Verlauf des Sollwerts des Raildrucks prail. Man erkennt, dass der
Sollwert (dargestellt als durchgezogene Linie 103) zu Beginn bei
400 bar liegt zum Zeitpunkt von t1 = 20
s auf 1.200 bar springt und schließlich zum Zeitpunkt t2 = 60 s wieder sprungartig zum ursprünglichen
Wert von 400 bar zurückkehrt. Der gestrichelt dargestellte
Verlauf (Linie 105) des tatsächlichen Raildrucks
pRail folgt dem Sollwert 103 weitgehend.
Das heißt, das erfindungsgemäße Verfahren
weist ein gutes Führungsverhalten auf und verursacht allenfalls
geringe Überschwingung oder Unterschwingung des Raildrucks
pRail. Die sprungartige Änderung
des Sollwerts 103 ist Folge von Lastsprüngen der Brennkraftmaschine 11.
Dementsprechend ergibt sich auch eine sprungartige Änderung
des Kraftstoffverbrauchs. Wie aus einem zweiten Diagramm 107 ersichtlich
ist, steigt eine Einspritzrate (Linie 109) zum Zeitpunkt
t1 sprungartig von etwa 2,5 cm3/s
(entspricht einer Kraftstoffmenge von etwa 10 mg) auf einen Wert
von etwas über 16 cm3/s (entspricht
einer Kraftstoffmenge von etwa 100 mg), um zum Zeitpunkt t2 wieder auf den ursprünglichen
Wert zurückzukehren. Dementsprechend ist im Zeitraum zwischen
t1 und t2 eine Bestromungszeit
von Aktoren der Einspritzventile 17 auf einen Wert von über
1,8 ms erhöht, wohingegen die Bestromungszeit außerhalb
dieses Zeitintervalls lediglich bei etwas mehr als 0,6 ms liegt
(siehe drittes Diagramm 111, in welchem die Bestromungszeit
als Linie 113 dargestellt ist).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004016943
A1 [0002]