DE102004038389B4 - Verfahren zum Bestimmen der Luftzahl Lambda aus Brennraumgrößen auf der Basis einer Lambda-Sondenmessung im Abgas - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Berechnung der Luftzahl im Brennraum einer Brennkraftmaschine, bei dem aus der Einspritzmenge (me) und den einströmenden Gasmassen (m', AGR) ein erster Rechenwert (λB) für die Luftzahl gebildet wird und ein Wert (λS) der Luftzahl von wenigstens einer im Abgastrakt befindlichen Lambda-Sonde gemessen wird, wobei ein Modell für den Zusammenhang zwischen dem Rechenwert (λB) für die Luftzahl Lambda und dem Messwert (λS) gebildet wird, das den statischen sowie dynamischen Zusammenhang zwischen dem Rechenwert (λB) und dem Messwert (λS) beschreibt und aus diesen ein genauer Schätzwert für die Luftzahl mittels des Modells ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass für den modellierten Zusammenhang zwischen dem Rechenwert für die Luftzahl (λB) und dem Messwert (λS) eine Modellstruktur vorgegeben wird, bei der die systematischen Fehler des Modells mit Parametern (bn) beschrieben werden wobei folgende Verfahrensschritte durchlaufen werden: – Berechnung der Luftzahl (λB) im Brennraum mindestens aus den Parametern Luftmassenstrom (m') und eingespritzter Kraftstoffmenge (me) – Berechnung der Luftzahl am Ort der Lambda-Sonde (λBR) mit einem Modell, bei dem die Laufzeit der Gasmassen (T) und systematische Fehler (bn) ausgehend von der Berechnung der Luftzahl (λB) im Brennraum modelliert werden – Messung eines Wertes für Lambda (λS) mittels einer Lambda-Sonde – Bilden eines Rechenwertes für Lambda am Ort der Lambda-Sonde (λSR) mit einem Modell aus dem Messwert (λS), wobei das Modell wenigstens eine Zeitkonstante (T1) und Parameter (an) enthält – Berechnung der Parameter (a0 bis an) und (b0 bis bn) durch Optimierung mit der Forderung, die Abweichung des berechneten Lambda-Wertes am Ort der Lambda-Sonde und des gemessenen und auf den Ort der Lambda-Sonde hochgerechneten Wertes zu minimieren.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Sauerstoffrestgehaltes im Abgas einer Brennkraftmaschine mittels eines Modells. Allgemein bekannt ist, dass Ottomotoren zur Regelung des Luft-Kraftstoff-Gemisches mit einer sogenannten Lambda-Regelung ausgestattet werden können. Dabei wird ein Sensor verwendet, der den Restsauerstoffpartialdruck im Abgasstrang misst. Der Sensor ist Teil eines geschlossenen Regelkreises, wobei mit einer geeigneten Regelstrategie das Luft-Kraftstoff-Gemisch derart gebildet wird, dass sich ein gewünschter Lambda-Wert einstellt. Dieselmotoren arbeiten grundsätzlich mit Lambda größer 1. Bei Luftüberschuss erfolgt eine Regelung gemäß dem vom Fahrer gewünschten Moment auf Basis der Einspritzmenge als Stellgröße. Auch beim Dieselmotor gibt es jedoch Betriebszustände, in denen versucht wird, einen bestimmten Lambda-Wert zu erreichen, z. B. bei der Rauchbegrenzung und bei der AGR-Regelung. Insbesondere bei hohen AGR-Raten gewinnt der Lambda-Wert auch beim Dieselmotor an Bedeutung, da die zugeführte Luft teilweise vom Abgas verdrängt wird und damit der Lambda-Wert überwacht werden muss. Die möglichst genaue Messung ist für Steuerverfahren am Diesel- und am Ottomotor eminent wichtig.
• Allgemein vorbekannt ist für Otto- und Dieselmotoren die Messung des Lambda-Wertes mit einer Lambda-Sonde im Abgastrakt und eine entsprechende Steuerung der Einspritzung am Ottomotor bzw. Steuerung der Abgasrückführung beim Dieselmotor innerhalb eines geschlossenen Regelkreises, um einen gewünschten Lambda-Wert zu erzielen. Das Sensorsignal der Lambda-Sonde steht jedoch aufgrund der Abgaslaufzeit, der Messverzögerung und des ablaufenden Brennvorgangs, verglichen mit dem Beginn des Brennvorgangs, nur zeitverzögert zur Verfügung. Die bisher verwendeten Lambda-Sonden arbeiten sehr genau im stationären Betrieb bei Lambda-Werten nahe 1. Für höhere Lambda-Werte ist nur eine Breitband-Lambda-Sonde verwendbar. Insbesondere beim Dieselmotor, bei dem durch Betriebsbereich mit hohem Luftüberschuss sehr hohe Lambda-Werte auftreten, liegt der Fehler der Lambda-Sonde teils über 10 Prozent.
• Insbesondere bei dynamischen Vorgängen liefern Lambda-Sonden ein ungenaues Messsignal.
• Ein genauerer Wert des Messsignals der Lambda-Sonde ist zusätzlich zu der unerwünschten Zeitverzögerung der Laufzeit vom Brennraum zum Ort der Lambda-Sonde bei Diesel- und Ottomotor wünschenswert.
• Weiterhin vorbekannt ist es, den Lambda-Wert aus der angesaugten Luftmasse und der eingespritzten Kraftstoffmenge und dem rückgeführten Abgas zu schätzen. Diese Schätzung steht zeitnah zur Verfügung, ist aufgrund der systematischen Messfehler und aufgrund der Modellabweichung ungenau.
• Vorbekannt ist aus der EP 1 028 245 A2 ein Verfahren zur Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses auf Basis des Messwertes einer Lambda-Sonde. Zur Verbesserung der Steuerung der Einspritzmenge werden Korrekturfaktoren gebildet, welche die Einspritzmenge entsprechend einem modellierten Zusammenhang zwischen der Steuerung, der Einspritzmenge und dem Ausgangssignal der Lambda-Sonde anpassen. Zur Verminderung des Einflusses der laufzeitbehafteten Lambda-Messung wird ein autoregressives Modell benutzt.
• Eine Berechnung des Lambda-Wertes aus Sondensignal und Brennraumsignal und eine damit erreichte Verminderung systematischer Fehler erfolgt nicht.
• Weiterhin vorbekannt ist aus der US 6 397 830 B1 die Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses auf Basis des Sauerstoffgehaltes im Abgas, welcher von der Lambda-Sonde gemessen wird. Hierbei wird ein Basiswert der Einspritzung aus den Motorparametern (Drehzahl und Last) gebildet und mit einer Anzahl von Korrekturwerten z. B. Kühlmitteltemperatur und Lambda-Korrekturwert beaufschlagt. Der Lambda-Korrekturwert wird dabei unter Beachtung der Antwortzeit der Lambda-Sonde gebildet. Das zeitverzögerte Ansprechen der Lambda-Sonde wird somit unter anderen Parametern mit zur Berechnung der Einspritzmenge herangezogen.
• Vorbekannt ist aus der DE 102 21 376 A1 eine Korrektur des Lambdasignals, des Kraftstoffmassensignals oder des Luftmassensignals zu bilden, indem eine modellierte Abhängigkleit der Signale untereinander ausgenutzt wird. Es wird aus den Betriebsgrößen des Motors, mindestens aus dem Kraftstoffmassensignal und dem Luftmassensignal ein geschätztes Lambdasignal gebildet welches mit einem gemessenen Lambdasignal verglichen wird. Es erfolgt über die Gaslaufzeit eine Abbildung des geschätzten auf das gemessene Lambdasignal. Für die Korrektur der Kraftstoffmasse oder des Luftmassensignals oder des Lambdamesswertes werden jeweils zwei der Größen als genau betrachtet und die zugehörige dritte Größe wird über den modellierten Zusammenhang korrigiert.
• Eine Berücksichtigung der systematischen und zufälligen Fehler mehrerer Messgrößen, erfolgt im Stand der Technik nicht.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen hochgenauen Messwert für die Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine (Lambda-Wert) bereitzustellen, der in Echtzeit bzw. bereits vor der Einspritzung zur Verfügung steht.
• Bei ausreichend schneller Berechnung kann der Lambda-Wert bereits vor der Einspritzung zur Verfügung stehen, da die Einspritzmenge bekannt ist und die mittlere Drehzahl sich im Vergleich nur langsam ändert, so dass die Luftmasse auch vor Einspritzung abschätzbar ist und damit alle für das erfindungsgemäße Verfahren notwendigen Werte bekannt sind und der Lambda-Wert berechenbar ist.
• Diese Aufgabe wird bei gattungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
• Aus einem berechneten Lambda-Wert, der mindestens aus Einspritzmenge und angesaugter Luftmasse gebildet wird und dem mittels einer Lambda-Sonde berechneten Lambda-Wert wird ein neuer, modellierter Lambda-Wert gebildet, der in Echtzeit oder bereits vor der Verbrennung mindestens mit der Genauigkeit des gemessenen Wertes bereitgestellt werden kann. Bezüglich systematischer Fehler der Messeinrichtung ist der erfindungsgemäß gebildete Messwert besser als der Messwert der Lambda-Sonde. Ein Modell wird zur Abbildung des Zusammenhangs zwischen dem gemessenen Lambda-Sondensignal und dem berechneten Signal für den Lambda-Wert im Brennraum genutzt, welches im Betrieb des Motors parametriert und ständig adaptiert wird und einen hochgenauen schnellen Wert für den Lambda-Wert liefert.
• Erfindungsgemäß vorteilhaft wird ein Modell gebildet, das den dynamischen sowie den stationären Zusammenhang des Lambda-Messwertes von der Lambda-Sonde und des Lambda-Rechenwertes aus angesaugter Luftmasse und eingespritzter Kraftstoffmenge beschreibt. Es ist damit möglich, die Vorteile des Messsignals und des berechneten Lambda-Sondensignals zu vereinen. Es wird aus den Informationen des dynamisch schlechten, aber stationär genauen Messwertes der Lambda-Sonde und des dynamisch guten Rechenwertes ein neuer modellierter Lambda-Wert gebildet.
• In einer vorteilhaften Gestaltung wird das den Zusammenhang zwischen dem gemessenen und dem berechneten Lambda-Wert abbildende Modell empirisch gebildet oder aus physikalischen Zusammenhängen erstellt. Mit dieser Modellbildung wird die Modellstruktur festgelegt, deren Parameter nachfolgend im Betrieb des Messverfahrens am Prüfstand oder im Fahrzeug sich selbst parametrieren. Es kann somit eine genaue exemplarspezifische Anpassung des Modells erfolgen, die im laufenden Betrieb des Motors weiter adaptiert wird.
• Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand eines einfachen Ausführungsbeispiels beschrieben. Das hier verwendete Modell ist eine beispielhafte Ausgestaltung. Insbesondere die Modellstruktur und Dimension können entsprechend den Anforderungen variiert werden.
• Aus Messungen lassen sich mittelbar oder unmittelbar Werte für die pro Hub eingespritzte Kraftstoffmenge m_e und den in den Zylinder angesaugten Anteil des Gasmassenstromes m' bilden. Aus diesen Größen wird der Lambda-Rechenwert λ_B = f(m_e, m', ...) gebildet. Das Modell für die Berechnung von λ_B kann weitere Einflussgrößen enthalten, um eine möglichst genaue Abbildung des Lambda-Wertes im Brennraum zu modellieren.
• Der Lambda-Messwert λ_SR am Ort der Lambda-Sonde wird aus dem Messsignal der Lambda-Sonde λ_S mit einem Modell, hier beispielhaft ein PT1-Glied, gewonnen. Formel 1 zeigt den Zusammenhang im Frequenzbereich. λ_SR = λ_S·(1 + pT₁) (1)
• Die Modellierung über das PT1-Filter stellt eine mögliche Darstellungsvariante dar.
• Die Zeitkonstante T₁ wird beispielsweise mittels eines Polynoms beschrieben, wobei die Zeitkonstante von der einwirkenden Luftzahl abhängig ist. Als Näherung für die einwirkende Luftzahl kann dabei λ_SR oder λ_BR verwendet werden. T₁ wird damit beispielhaft beschrieben mit T₁ = a₀+ a₁λ_SR + a₂λ² _SR + a₃λ³ _SR (2).
• Der Zusammenhang zwischen λ_SR und λ_S ist damit beschrieben. Transformiert in den Zeitbereich ergibt sich aus den Gleichungen (1) und (2) eine Abhängigkeit λ_SR = f(λ_S, a₀, a₁, a₂, a₃) (3), wobei die Koeffizienten nachfolgend bestimmt werden müssen.
• Weiterhin wird ein Rechenwert für Lambda nach Gleichung (4) λ_B = f(m_e, m') (4) gebildet. Dieser stellt die berechnete Luftzahl im Brennraum dar. Es erfolgt eine Fortpflanzung der Luftzahl im Abgasmassenstrom bis zur Sonde mit der Geschwindigkeit v der strömenden Gasmassen. In einem einfachen Fall kann dabei eine volumenstromabhängige Laufzeit T angesetzt werden. Die volumenstromabhängige Zeitkonstante T ergibt sich nach Gl. (5) zu T = V / V' (5), wobei V das Volumen des Abgastraktes zwischen Brennraum und Lambda-Sonde ist und V' der Abgasvolumenstrom. Der Abgasvolumenstrom V' kann über Sensoren gemessen werden oder über ein Modell berechnet werden. Eine Möglichkeit der Modellierung ist die Messung der einströmenden Luftmenge über einen Luftmengensensor (Bsp. HFM) und den bekannten Kraftstoffmassenstrom. Aus diesen Größen wird der Abgasmassenstrom modelliert, wobei weitere Einflussgrößen z. B. die Menge des umlaufenden AGR, die Speicherwirkung der verschiedenen Rohrvolumina im Frischluft- und Abgastrakt für die Modellierung berücksichtigt werden können. Für die Modellierung des Lambda-Wertes ist eine Bereitstellung des Abgasmassenstromes notwendig, wobei für das erfindungsgemäße Verfahren die Art der Bereitstellung dieses Wertes nicht entscheidend ist.
• Der berechnete Lambda-Wert am Ort der Lambda-Sonde λ_BR0 ergibt sich nach (6) λ_BR0 = λ_B·(t + T) (6).
• Die Modellierung des berechneten Lambda-Wertes am Ort der Lambda-Sonde λ_BR kann weitere Einflussparameter enthalten. So kann in einem detaillierten Modell beispielsweise das Strömungsprofil am Abgasrohr berücksichtigt werden. Der Rechenwert für λ_B kann als Zwischenwert entfallen, wenn λ_BR als Funktion vom Gasmassenstrom, der Einspritzmenge und der Laufzeit berechnet wird.
• λ_BR0 und λ_SR beschreiben mit systematischen und zufälligen Fehlern behaftet den Lambda-Wert am Ort der Lambda-Sonde und sollten bei idealer Abstimmung der Modellparameter und fehlerfreier Messung im statischen und dynamischen Fall gleich sein.
• Aufgrund systematischer und zufälliger Fehler sowie eventueller nichtlinearer Abweichungen ist dies jedoch nicht gegeben. Es führen die Fehler des modellierten Lambda-Wertes, die auf Messfehlern aller in das Modell eingehenden Messwertaufnehmer, also Kraftstoffmenge, Luftmassen, Drücke, Temperaturen, Stellwege beruhen, dazu, dass Modell und Wirklichkeit nicht übereinstimmen. Zufällige Fehler einer Messgröße, für die eine Anzahl von Werten vorliegt, die den gleichen Zustand beschreiben, können durch eine Mittelwertsbildung verringert werden, da sie um den wahren Wert streuen. Systematische Fehler sind in allen Messwerten gleichermaßen enthalten und daher durch Mittelung nicht herausrechenbar. Könnte man die zufälligen Fehler gänzlich herausrechnen, zeigte der modellierte Zusammenhang zwischen λ_BR0 und λ_SR aufgrund der systematischen Fehler dennoch keine genaue Übereinstimmung. Um einen Zusammenhang von λ_BR0 und λ_SR zu erhalten, müssen die systematischen Fehler in die Betrachtung einbezogen werden. Die auftretenden Unterschiede werden durch ein weiteres Modell, das die Abhängigkeit der Mittelwerte

  

  und

  

  beschreibt, abgebildet. In einem einfachen Zusammenhang kann dies beispielsweise wiederum durch einen Polynomansatz nach (7) erfolgen. Es sind weitere Ansätze möglich, die den Zusammenhang zwischen beiden Größen darstellen. Es ist jedoch vorteilhaft, den Zusammenhang bezüglich der Parameter als linearen Zusammenhang zu formulieren, z. B. als Fourierreihe, als Hyperbelreihe oder als Polynom, da bei der nachfolgenden Parameteroptimierung mit der Methode der kleinsten Fehlerquadrate die Lösung auf ein lineares Gleichungssystem hinausläuft, das einfach, mit den Kapazitäten eines serienüblichen Fahrzeugsteuergerätes, berechenbar ist. Es sind jedoch gleichberechtigt andere Ansätze verwendbar, wobei weitere Optimierungsmethoden zum Einsatz kommen können.
• Ausgehend vom Lambda-Messwert λ_SR am Ort der Lambda-Sonde, der für diese Modellbetrachtung als genauer Wert angenommen wird, werden die systematischen Messfehler zum Rechenwert

  

  modelliert und in den Parametern b₀, b₁ und b₂ abgebildet.
• 
• Die Gleichungen (1) bis (7) modellieren nun den Zusammenhang zwischen λ_B und λ_S als Funktion der Parameter a_m und b_n. λ_S = f(λ_B, a₀, a₁, a₂, a₃, b₀, b₁, b₂, b₃) (8)
• Durch statistische Methoden bzw. Parameterschätzverfahren – z. B. die Methode der kleinsten Fehlerquadrate – werden die fehlenden Koeffizienten a_m und b_n ermittelt. Man erhält damit einen möglichst guten Schätzwert für den Zusammenhang zwischen beiden Bestimmungsmöglichkeiten für Lambda, indem die Parameter des Modells – mit der Forderung, die Standardabweichung zwischen den Messwerten und dem durch die Schätzwerte beschriebenen Wert zu minimieren – gebildet werden.
• Die Bestimmung der Koeffizienten a_m und b_n kann für den jeweiligen Motor a_m und b_n am Prüfstand oder im normalen Betrieb des Motors im Fahrzeug erfolgen. Man erhält dadurch exemplarspezifische Parameter für den jeweiligen Motor mit der jeweiligen Sensorik und betrachtet somit genau die an dem speziellen Exemplar auftretenden Fehler.
• Das Modell kann bezüglich der Koeffizienten a_m und b_n während der Laufzeit im Betrieb des Motors ständig nachlernen. Dazu wird in einer vorteilhaften Ausführung, bei der für die Optimierung der Parameter eine Modifikation der Methode der kleinsten Fehlerquadrate benutzt wird, die Summierung der Fehlerquadrate durch einen Filter ersetzt. Schleichende Parameteränderungen, d. h. eine Langzeitdrift der Parameter, kann damit ausgeglichen werden.
• Die Bestimmung eines vom Rechenwert λ_B und Messwert λ_S abhängigen und bezüglich Genauigkeit und Dynamik verbesserten Lambda-Wertes wird nachfolgend anhand von 1 erläutert. Beispielhaft ist hier die Berechnung des Lambda-Wertes für den Ort der Lambda-Sonde λ_BR dargestellt. Es kann jedoch mit der Modellierung des Gesamtzusammenhangs ausgehend von den in den Zylinder einströmenden Gasmassen und der einzuspritzenden Kraftstoffmenge bis zur Messung des Lambda-Wertes im Abgastrakt durch die Lambda-Sonde an jedem Punkt des Modells ein optimierter Lambda-Wert berechnet werden. Ausgehend von den direkt gemessenen oder indirekt gebildeten Werten für die Einspritzmenge m_e, den Luftmassenstrom m', die Drehzahl n sowie den rückgeführten Abgasmassenstrom AGR erfolgt über an sich bekannte Modelle die Berechnung eines Lambda-Wertes λ_B für den Brennraum (Funktionsblock 1). Das Modell kann für eine genauere Berechnung des Lambda-Wertes weitere Einflussgrößen umfassen. Im Funktionsblock 2 erfolgt eine Modellrechnung des berechneten Wertes im Brennraum auf den Ort der Lambda-Sonde λ_BR0. unter Beachtung der Laufzeit T der Gasmassen.
• Es wird die Fortpflanzung des berechneten Lambda-Wertes im Saugrohr betrachtet, wobei der Abgasmassenstrom gemessen oder gemäß Gleichung 5 und 6 mit einem Modell die Fortpflanzung an den Ort der Lambda-Sonde beschrieben wird. Die Zeitkonstante T wird dabei gemäß Gleichung 5 volumenstromabhängig im Funktionsblock 7 und am Divisionspunkt 8 gebildet und dem Funktionsblock 2 als Parameter zugeführt. Der Volumenstrom V' kann dabei gemessen oder wie oben beschrieben als Funktion der rückgeführten Abgasmenge AGR, der Einspritzmenge m_e und des Luftmassenstroms m' gebildet werden. Im Funktionsblock 3 wird mit einem Modell der stationäre systematische Fehler abgebildet, dem der berechnete Lambda-Wert unterliegt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel erfolgt die Abbildung mittels eines Polynomansatzes, wobei die Parameter b₀ bis b_n als später zu bestimmende Parameter für das Modell angesetzt werden.
• Am Ausgang des Funktionsblockes 3 steht damit ein modellierter Wert für Lambda am Ort der Lambda-Sonde λ_BR, der sowohl die Laufzeiten als auch die systematischen Fehler mit modelliert, zur Verfügung.
• In einem parallelen Messzweig wird das Lambda-Sondensignal λ_S (Messwert der Lambda-Sonde) aufgenommen. Dieser Messwert ist Eingangsgröße des Funktionsblockes 4, in dem ein Modell, das beispielhaft durch ein PT1-Filter abgebildet wird (siehe Gleichung 1), den Messwert am Ort der Lambda-Sonde im Abgastrakt λ_SR berechnet. Die Zeitkonstante T₁ wird gemäß Gleichung 2 gebildet, wobei die Parameter a₀ bis a₃ nachfolgend bestimmt werden. Der Wert für λ_BR und λ_SR wird dem Funktionsblock 6 zugeführt. Im Funktionsblock 6 erfolgt durch ein Optimierungsverfahren, vorzugsweise durch die Methode der kleinsten Fehlerquadrate, eine Bestimmung der Parameter a₀ bis a₃ und b₀ bis b₃. Diese Verfahren werden in der Literatur auch als Ausgleich nach bedingten Beobachtungen mit Unbekannten bezeichnet. In einer vorteilhaften Ausführung des Verfahrens sind die Parameter mit Schätzwerten vorbedatet und werden im Motorbetrieb für den speziellen Motor durch die genannte Optimierung adaptiert.
• Nach Optimierung der Parameter sind recht genaue Schätzwerte für Gleichung (7) bekannt. Die Parameter b₀ bis b₃ beschreiben dabei den nichtlinearen Zusammenhang der beiden Messwerte voneinander und liefern eine Möglichkeit, diese ineinander umzurechnen. Die Gleichung (7) beschreibt eigentlich den Stationärbetrieb.
• Im Stationärbetrieb ist damit, unter Vernachlässigung der zufälligen Fehler der Messaufnahme „im Brennraum” oder bei deren Korrektur durch Mittelung, das Lambda-Sondensignal vorausberechenbar. Durch Vergleich mit dem Messwert und nachfolgender Adaption der Parameter durch Optimierung über eine Vielzahl von Messwerten sind diese Parameter genau bestimmbar.
• Für den dynamischen Betrieb berücksichtigt Gl. 6 (Block 2), dass das Abgas vor der Lambda-Sonde schon vor einiger Zeit den Brennraum verlassen hat, also einen früheren Zustand im Brennraum beschreibt, zu dem wir es in Relation setzen müssen.
• Die träge Reaktion der Lambda-Sonde selbst wird mit Gleichung 1 (Funktionsblock 4) beschrieben. Die Lambda-Sonde reagiert in Abhängigkeit des Lambda-Wertes unterschiedlich schnell, wobei der Einfluss mit Gleichung 2 (Funktionsblock 5) modelliert wird.
• Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es daher möglich, nach Bestimmung der Parameter b_n und der Zeitkonstante T aus den Lambda-Wert λ_B, den Lambda-Wert im Brennraum λ_BR sehr genau und hochdynamisch aus den Brennraumgrößen zu ermitteln. Dieser gilt statisch für den jeweiligen Arbeitspunkt, an dem die Parameter bestimmt wurden. Es wird online jeweils die Parameteroptimierung für a_n und b_n mitgerechnet, wodurch ein ständiges Nachführen der Parameter möglich ist. Die Berechnung für den nächsten Takt kann dabei jeweils auf Basis der vorher berechneten Parameter erfolgen, wodurch eine Berechnung von Lambda bereits vor der Verbrennung aus den Brennraumgrößen erfolgen kann, da über die Drehzahl die einströmende Luftmasse bekannt ist und vor der Verbrennung die einzuspritzende Kraftstoffmenge ebenfalls bekannt ist.
• Bezugszeichenliste

1–7

Funktionsblöcke

8

Summationsstelle

m'

Gasmassenstrom

m_e

Einspritzmenge

Zyl

Zylindernummer

AGR

rückgeführter Gasmassenstrom

n

Drehzahl

V'

Volumenstrom

λ_B

berechneter Wert für die Luftzahl λ im Brennraum

λ_s

von der Lambda-Sonde gemessener Wert für die Luftzahl λ

T

Laufzeit der Gasmassenströme vom Brennraum zur Lambda-Sonde

λ_BR0

berechneter Wert für die Luftzahl λ am Ort der Lambda-Sonde unter Berücksichtigung der Laufzeit T der Gasmassenströme zu diesem Ort

λ_BR

berechneter Wert für die Luftzahl λ am Ort der Lambda-Sonde unter Berücksichtigung der Laufzeit T der Gasmassenströme und der stationären systematischen Fehler

b_n

Parameter des Modells der stationären systematischen Fehler des berechneten Lambda-Sondensignals

T₁

Zeitkonstante der Lambda-Sonde

λ_SR

aus dem Messsignal λ_S unter Beachtung der Zeitkonstante T₁ gebildeter Lambda-Wert am Ort der Lambda-Sonde

a_n

Parameter des Modells der vom Lambda-Wert abhängigen Zeitkonstante T₁

λ_opt

aus dem berechneten λ_B und dem gemessenen Lambda-Wert λ_S gebildeter hinsichtlich Genauigkeit und Dynamik verbesserter Wert der Luftzahl

Claims (8)

1. Verfahren zur Berechnung der Luftzahl im Brennraum einer Brennkraftmaschine, bei dem aus der Einspritzmenge (m_e) und den einströmenden Gasmassen (m', AGR) ein erster Rechenwert (λ_B) für die Luftzahl gebildet wird und ein Wert (λ_S) der Luftzahl von wenigstens einer im Abgastrakt befindlichen Lambda-Sonde gemessen wird, wobei ein Modell für den Zusammenhang zwischen dem Rechenwert (λ_B) für die Luftzahl Lambda und dem Messwert (λ_S) gebildet wird, das den statischen sowie dynamischen Zusammenhang zwischen dem Rechenwert (λ_B) und dem Messwert (λ_S) beschreibt und aus diesen ein genauer Schätzwert für die Luftzahl mittels des Modells ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass für den modellierten Zusammenhang zwischen dem Rechenwert für die Luftzahl (λ_B) und dem Messwert (λ_S) eine Modellstruktur vorgegeben wird, bei der die systematischen Fehler des Modells mit Parametern (b_n) beschrieben werden wobei folgende Verfahrensschritte durchlaufen werden: – Berechnung der Luftzahl (λ_B) im Brennraum mindestens aus den Parametern Luftmassenstrom (m') und eingespritzter Kraftstoffmenge (m_e) – Berechnung der Luftzahl am Ort der Lambda-Sonde (λ_BR) mit einem Modell, bei dem die Laufzeit der Gasmassen (T) und systematische Fehler (b_n) ausgehend von der Berechnung der Luftzahl (λ_B) im Brennraum modelliert werden – Messung eines Wertes für Lambda (λ_S) mittels einer Lambda-Sonde – Bilden eines Rechenwertes für Lambda am Ort der Lambda-Sonde (λ_SR) mit einem Modell aus dem Messwert (λ_S), wobei das Modell wenigstens eine Zeitkonstante (T₁) und Parameter (a_n) enthält – Berechnung der Parameter (a₀ bis a_n) und (b₀ bis b_n) durch Optimierung mit der Forderung, die Abweichung des berechneten Lambda-Wertes am Ort der Lambda-Sonde und des gemessenen und auf den Ort der Lambda-Sonde hochgerechneten Wertes zu minimieren.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Berechnung der Luftzahl (λ_BR) für den Brennraum mit einem Modell, das mindestens die Parameter Luftmassenstrom (m'), eingespritzte Kraftstoffmenge (m_e) und den Volumenstrom im Abgastrakt bewertet – Abbilden der Fehler der Berechnung der Luftzahl für den Ort der Lambda-Sonde (λ_BR) mittels eines Modells mit Parametern (b₀ bis b_n) – Messung eines Wertes für Lambda (λ_S) mittels einer Lambda-Sonde – Bilden eines Rechenwertes für Lambda am Ort der Lambda-Sonde (λ_SR) mit einem Modell, – Berechnung der Parameter (a₀ bis a_n) und (b₀ bis b_n) durch Optimierung mit der Forderung, die Abweichung des berechneten Lambda-Wertes im Brennraum (λ_BR) und des von der Lambda-Sonde gemessenen Wertes, der mittels des Modells auf den Brennraum hochgerechneten Wertes, zu minimieren.
3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter (a_n, b_n) für den modellierten Zusammenhang zwischen dem berechneten (λ_B) und gemessenen Lambda-Wert (λ_S) während des Betriebs des Motors berechnet werden.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter (a_n, b_n) für den modellierten Zusammenhang zwischen dem berechneten (λ_B) und gemessenen Lambda-Wert (λ_S) während des Betriebs des Motors nachgeführt werden.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Optimierung der Parameter ein statistisches Verfahren vorzugsweise die Methode der kleinsten Fehlerquadrate genutzt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass für die Parameteradaption während des Motorbetriebs bei Anwendung der Methode der kleinsten Fehlerquadrate die Summation der Fehlerquadrate durch ein Filter ersetzt wird.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter (a_n, b_n) im laufenden Betrieb des Motors optimiert werden und dabei für eine zukünftige Verbrennung der Lambda-Wert der im Brennraum (λ_B) auf Basis der bekannten einzuspritzenden Menge (m_e) des aus der momentanen Drehzahl (n) berechenbaren Massenstromes (m') vor der Verbrennung berechnet wird.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgleich zwischen dem aus den Messsignalen für den Brennraum berechneten Lambda-Signal und dem aus dem Signal der Lambda-Sonde berechneten Signal an beliebiger Stelle im Modell vorgenommen wird.

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