DE102005007057A1

DE102005007057A1 - Verfahren zur Regelung

Info

Publication number: DE102005007057A1
Application number: DE200510007057
Authority: DE
Inventors: Christof Dipl.-Ing. Schernus; Thomas Dr.-Ing. Winsel
Original assignee: Universitaet Kassel; FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
Current assignee: UNIVERSITAET KASSEL, DE; FEV Europe GmbH
Priority date: 2005-02-15
Filing date: 2005-02-15
Publication date: 2006-08-24
Anticipated expiration: 2025-02-16
Also published as: DE102005007057B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Regelungsverfahren für einen zu regelnden Fluidstrom einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeuges sowie eine Verbrennungskraftmaschine, die mit zumindest einem Steuergerät eines Kraftfahrzeuges gekoppelt ist, wobei die Verbrennungskraftmaschine zumindest einen dynamisch sich ändernden Fluidstrom aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Regelungsverfahren für einen zu regelnden Fluidstrom einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeuges sowie eine Verbrennungskraftmaschine, die mit zumindest einem Steuergerät eines Kraftfahrzeugs gekoppelt ist, wobei die Verbrennungskraftmaschine zumindest einen dynamisch sich ändernden Fluidstrom aufweist.

Es ist bei einer Verbrennungskraftmaschine bekannt, dass verschiedene Fluidströme geregelt beziehungsweise gesteuert zu- oder abgeführt werden müssen, um einen gewünschten Betrieb beispielsweise eines Fahrzeuges zu gewährleisten. So geht beispielsweise aus der DE 102 27 466 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Zylinderbeladung einer Verbrennungskraftmaschine hervor. Dafür werden zwei Zylinderbeladungswerte über zwei voneinander verschiedene Modelle ermittelt, miteinander verglichen und schließlich auf der Grundlage des Ergebnisses des Vergleiches eines der beiden Zylinderbeladungsmodelle angepasst.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine genauere, insbesondere unter zeitlichen Gesichtspunkten zu bewirkende Beeinflussung von Fluidströmen mit überschaubarem Aufwand ermöglichen zu können.

Diese Aufgabe wird mit einem Regelungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und mit einer Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildung sowie weitere Gedanken, die insbesondere auch unabhängig als eigenständige Ausgestaltungen ausführbar sind, sind in den jeweiligen Unteransprüchen und in der nachfolgenden Beschreibung angegeben.

Ein erfindungsgemäßes Regelungsverfahren eines zu regelnden Fluidstromes einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeuges basiert darauf, dass zumindest ein erster Parameter des Fluidstromes, der sich bei Betrieb des Kraftfahrzeuges bei wechselnden Belastungssituationen ändert, ein dynamisches Verhalten aufweist, wobei ein für das dynamische Verhalten des ersten Parameters charakteristischer Wert ermittelt wird, mittels dem ein genaueres Regeln ermöglicht wird gegenüber einem Regeln mittels einer Bestimmung eines Mittelwertes des charakteristischen Wertes über einen beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine charakteristischen Zeitraum.

Als charakteristischer Zeitraum ist insbesondere ein Arbeitstakt oder auch ein abgeschlossener 2-Takt oder 4-Takt der Verbrennungskraftmaschine zu betrachten, über denen eine Ermittlung eines Mittelwertes erfolgen kann. Bei der Ermittlung eines derartigen Mittelwertes kommt es zu einer Nivelierung von Ausschlägen innnerhalb dynamischer Zustandsänderungen. Eine Verbesserung der Erfassung von dynamischen Vorgängen wird dadurch ermöglicht, dass eine an die tatsächlichen Schwankungen angekoppelte Beeinflussung der Fluidströmung ermittelbar wird. Dieses erlaubt insbesondere eine höhere Genauigkeit bei der Beeinflussung des Fluidstromes.

Gemäß einer Weiterbildung des Regelungsverfahren wird eine Spektralanalyse eines Schwingungsverhaltens zumindest des mit dem Fluidstrom gekoppelten ersten Parameters zur Ermittlung des charakteristischen Wertes durchgeführt. Eine weiter Ausgestaltung sieht vor, dass zumindest ein zweiter Parameter, der mit dem Fluidstrom gekoppelt ist, auf sein Schwingungsverhalten zusätzlich untersucht wird. Das Ergebnis kann ebenfalls in das Regelungsverfahren eingehen.

Weiterhin besteht die Möglichkeit, das Regelungsverfahren so auszugestalten, dass zusätzlich oder ersatzweise ein Klirrfaktor ermittelt wird, der das dynamische Verhalten des ersten Parameters wiedergibt.

Auch besteht die Möglichkeit, dass das Regelungsverfahren die Ermittlung einer Standardabweichung vorsieht, die das dynamische Verhalten des ersten Parameters wiedergibt.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass zumindest eine Grundwelle eines Schwingungsverhaltens ermittelt wird, mittels der auf das dynamische Verhalten des ersten Parameters geschlossen wird. Zusätzlich wie auch ersatzweise kann vorgesehen sein, dass zumindest eine Oberwelle eines Schwingungsverhaltens ermittelt wird, mittels der auf das dynamische Verhalten des ersten Parameters geschlossen wird. Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Grundwelle und zumindest eine Oberwelle miteinander gekoppelt werden und mittels der daraus gewonnenen Beziehung auf das dynamische Verhalten des ersten Parameters geschlossen wird.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass neben einem ersten Fluidstrom zumindest auch ein zweiter Fluidstrom betrachtet und in das Regelungsverfahren miteingeht. Beispielsweise kann von einem Verhalten des ersten Fluidstroms auf das Verhalten des zweiten Fluidstroms geschlossen werden, insbesondere wenn beide miteinander gekoppelt sind. Auch kann ein Fluidstrom geregelt werden, der sich aufteilen kann, in den zumindest ein zusätzlicher Fluidstrom einströmt und/oder in dem getaktete oder zeitlich voneinander unregelmäßig versetzte Ereignisse stattfinden bzw. Aggregatzustandsänderungen sich ergeben, zum Beispiel vom flüssigen Zustand in einen gasförmigen und umgekehrt.

Vorzugsweise nutzt das Regelungsverfahren einen modellbasierten Regler zur Umsetzung des Regelungsverhaltens. Beispielsweise kann der modelbasierte Regler mittels eines neuronalen Netz zumindest eine Datenbasis ermitteln, die zur Regelung des dynamischen Verhaltens eingesetzt wird.

Eine bevorzugte Anwendung des Regelungsverfahren sieht vor, dass es bei einer modelbasierten Simulation zur Verkürzung einer Applikationszeit der Verbrennungskraftmaschine für das Kraftfahrzeug eingesetzt wird.

Gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung wird eine Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagen, die mit zumindest einem Steuergerät eines Kraftfahrzeugs gekoppelt ist, wobei die Verbrennungskraftmaschine zumindest einen dynamisch sich ändernden Fluidstrom aufweist und das Steuergerät in der Lage ist, den Fluidstrom gezielt zu beeinflussen, wobei zumindest ein Messwertaufnehmer zur Ermittlung eines ersten Parameters des Fluidstroms in Verbindung mit dem Steuergerät steht und eine Auswerteeinheit vorhanden ist, die eine Signalerzeugung aufweist, die mittels des ersten Parameters ein eine Dynamik des Fluidstroms wiedergebendes Signal generiert, und die Auswerteeinheit mit einer Stellvorrichtung zur Beeinflussung des Fluidstroms gekoppelt ist.

Eine Weiterbildung sieht vor, dass das Steuergerät in einem Motorsteuergerät implementiert ist. Auch kann das Steuergerät vom Motorsteuergerät getrennt mit diesem über eine Verbindung, insbesondere über einen Datenbus, gekoppelt sein. Das Steuergerät kann beispielsweise direkt, zumindest in unmittelbarer Nähe zum Fluidstrom und/oder einem Bauelement angeordnet sein, welches zu betätigen ist. Weiterhin können mehrere Steuergeräte untereinander gekoppelt sein und vorzugsweise Signale untereinander austauschen. Gemäß einer Ausgestaltung können die Steuergeräte zumindest teilweise auch redundant sein.

Gemäß einer Ausgestaltung sieht die Auswerteeinheit vor, mittels der Signalerzeugung zumindest eine Standardabweichung zu ermitteln. Zusätzlich wie auch ersatzweise kann die Auswerteeinheit vorsehen, mittels der Signalerzeugung zumindest einen Klirrfaktor zu ermitteln. Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Auswerteeinheit eine Fourier-Transformation implementiert aufweist. Dieses kann eine FFT und/oder auch DFT sein. Das Steuergerät ist gemäß einer Ausgestaltung zusätzlich oder auch alternativ mit einem neuronalen Netz zumindest gekoppelt.

Im folgenden werden weitere Gedanken angegeben, die unabhängig und getrennt wie auch kombiniert mit den obigen verfolgt werden können.

Vorzugsweise werden das Steuergerät wie auch das Verfahren zur Regelung dynamischer Fluidströme für Gase, Flüssigkeiten wie auch für Mischungen von Gasen, Flüssigkeiten und/oder Feststoffen genutzt. Die Regelung basiert auf einer charakteristischen Meßgröße wie sie zum Beispiel durch eine Durchfluss-, einer Massenstrom- und/oder einer Druckmessung ermittelbar ist. Zusätzlich wie auch alternativ kann das Verfahren auch auf einem virtuellen, das bedeutet rechnerisch ermittelten Verlauf einer charakteristischen Größe basieren. Um zu vermeiden, dass über einen ermittelten Mittelwert eines Massenstromes oder eines anderen Signals über Durchfluss-, Massenstrom- oder Druckmesser bei einer stationären, quasi-stationären wie auch dynamischen, insbesondere pulsierenden eine zu ungenaue Regelung insbesondere eines mittleren Fluidstroms erfolgt, wird eine an die Dynamik im Fluidstrom angepasste Regelung verwendet. Mit dieser gelingt es beispielsweise, eine genauere Bestimmung einer beispielsweise tatsächlichen Durchflussmenge zu erzielen. Insbesondere besteht die Möglichkeit, eventuelle Fehlerquellen zumindest abzuschwächen, vorzugsweise zu eliminieren. Fehlerquellen für eine Regelung eines Fluidstromes können beispielsweise sein: dynamisch sich ändernde Fluidsströme in einem instationären Lastfall, Rückwirkungseinflüsse von bewegten Teilchen im Fluidstrom, Aggregatänderungen, Dichteänderungen. Für die Regelung wird zumindest ein, vorzugsweise mehrere charakteristische Kennwerte eines dynamischen Durchfluss-, Massenstrom und/oder zum Beispiel Druckverlauf des Fluides ermittelt. Zusätzlich kann ein dynamischer Durchfluss-, Massenstrom- und/oder Druckverlauf ebenfalls ermittelt und in die Regelung miteingehen. Zusätzlich wie auch alternativ zu den dynamischen Verläufen können auch ein oder mehrere Mittelwerte von Durchfluss-, Massenstrom und/oder Druckverlauf in der Regelung Berücksichtigung finden.

Gemäß einer Ausgestaltung wird ein Klirrfaktor in Verbindung mit einem Gleichanteil und/oder einer Grundwellenamplitude als Kenngröße des Messsignals, zum Beispiel Massenstrom oder Druck, verwendet. Auch kann eine Standardabeichung oder eine andere Kenngröße gewählt werden, die ein dynamisches Signal charakterisiert. Beispielsweise wird mittels einer Fourierzerlegung des dynamischen Messsignals eine oder mehrere Amplituden einer oder mehrerer Oberwellen zur Regelung verwendet.

Weiterhin können Regler eingesetzt werden, die auf vereinfachten Funktionen, auf Tabellen und/oder neuronalen Netzen basieren, insbesondere bei einer Echtzeitregelung. Weiterhin besteht die Möglichkeit der Anwendung modellbasierter Regler.

Vorzugsweise wird die Regelung beziehungsweise ein damit bestücktes Steuergerät zu einer modellbasierten Simulation zur Verkürzung von Applikationszeiten einer Verbrennungskraftmaschine genutzt. Hierbei wird insbesondere eine Hardware-in-the-Loop-Regelung vorgenommen, vorzugsweise unter Implementierung von ein oder mehr neuronalen Netzen. Damit gelingt es beispielsweise, Steuergeräteparameter zu erzeugen. Über ein neuronales Netz werden Mittelwerte relevanter Verbrennungskraftmaschinenkennwerte und deren Wechselwirkungen approximiert. Zusätzlich kann eine physikalische Modellstruktur überlagert werden. Vorzugsweise werden verwendete physikalische Modellstrukturen in Funktionsblöcke unterteilt, insbesondere zur Bilanzierung von Fluidströmen.

Die vorgeschlagene Verfahrensweise kann grundsätzlich zur Regelung aller dynamischer Gas- und/oder Flüssigkeitsströmungen eingesetzt werden, unabhängig von ihrem Einsatzzweck, ihrer Verwendung und ihrem Einsatzort. Insbesondere besteht nicht die Beschränkung des Einsatzes auf eine Verbrennungskraftmaschiene. Vielmehr können auch andere Vorrichtungen aus unterschiedlichsten Bereichen wie zum Beispiel der Haustechnik, zum Beispiel Wärmepumpen, bei verfahrenstechnischen Anlagen, bei feuerungstechnischen Anlagen oder auch bei schiffstechnischen Anlagen die vorgeschlagene Regelung und deren Ausgestaltungen an den jeweiligen Anwendungszweck abgewandelt angewendet werden.

Ein bevorzugter Anwendungsbereich ist eine Motorsteuerung. Zum Beispiel wird eine Gasstrom in einem Einlass der Verbrennungskraftmaschine mittels eines Massenstrom- oder Drucksignals und einer Drosselklappe oder einer variablen Ventilsteuerung geregelt, um eine Füllung eines Zylinders, einen Einspritz- oder Zündzeitpunkt wue auch eine Einspritzmenge entsprechend einer Last bzw. Drehzahl exakt einzustellen. Hierbei können Kaltstart-, Warmlauf-, Heißlauf-, Filter- oder Katalysator-Regenrationsphasen, Lastsprünge oder anderes geregelt werden. Auch kann eine Regelung, zum Beispiel eine Auslassregelung mit variabel schaltbaren Ventilzeiten, insbesondere mittels variabler Ventile wie beispielsweise elektromagnetisch verstellbarer Ventile eingesetzt werden. Es besteht die Möglichkeit, darüber eine Restgassteuerung, eine innere Abgasrückführung und/oder eine externe Abgasrückführung bewirken zu können.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in der nachfolgenden Zeichnung beispielhaft erläutert. Die jeweils dargestellten Figuren und Beschreibungen von Merkmalen sind jedoch nicht beschränkend auszulegen. Vielmehr können diese mit weiteren Merkmalen aus der Zeichnung wie auch mit Merkmalen aus den oben beschrieben Ausgestaltungen zu zusätzlichen Ausgestaltungen verbunden werden. Es zeigen:
1 ein Beispiel einer Berechnung eines Gasstroms durch eine Drossel ohne Berücksichtigung einer pulsierenden Strömung für eine von einem Öffnungswinkel abhängige Durchflussfunktion,
2 Eingang- und Ausgangsignale einer Diskreten Fourier Transformation,
3 einen Kurbelwinkel aufgelöst gemessener Druck im Saugrohr eines Vierzylinder-Viertaktmotors,
4: normierte Amplituden aus der Diskreten Fourier Transformation des Saugrohrdruckverlaufs,
5: eine Zusammenfassung des Amplitudengangs zum Klirrfaktor,
6: ein Modell als virtueller Sensor für den Klirrfaktor sowie die weiter unten jeweils angeführten Figuren,
7: ein Training eines Klirrfaktormodells unter Verwendung eines neuronalen Netzes,
8: einen Einsatz eines Klirrfaktormodells unter Verwendung eines neuronalen Netzes mit deaktiviertem Trainingsprozess,
9: ein erweitertes Drosselklappen-Luftstrommodell mit Berücksichtigung des Klirrfaktors, hier als Eingang einer Pulsations-Korrekturfunktion,
10: ein erweitertes Drosselklappen-Luftstrommodell mit Berücksichtigung des Klirrfaktors, hier als zusätzlicher Eingang eines neuronalen Netzes,
11: einen Einfluss der Verstellung der Ventilsteuerzeiten auf den Klirrfaktor und den Luftmassenstrom durch die Drosselklappe,
12: ein Modell zur Berechnung des Luftmassenstroms aus dem Luftverteiler,
13: ein Luftpfad-Behältermodell mit Berücksichtigung des Einflusses der Ventiltrieb-Variabilität,
14: eine Variation des Luftmassenfluss dm_Luft,DK/dt bei annähernd konstanten Eingängen [α_DK ϑ_Ans p_Saug] sowie Drehzahl n_KW
15: eine Motordrehzahl n_KW als zusätzlicher Eingang des Drosselklappenmodells,
16: ein Mittelwertmodell zur Nachbildung des Luftmassenstroms,
17: zyklische Schwankungen des Saugrohrdrucks in einem Arbeitsspiel (4 Takte),
18: ein normiertes Leistungsspektrum des in 17 dargestellten Saugrohrdruckverlaufs, welches mittels diskreter Fourier Transformation (DFT) ermittelt wurde,
19: ein DFT-Mittelwertmodell zur Nachbildung des Luftmassenstroms durch die Drosselklappe verwendet die Klirrfaktoren F_Klirr aufeinander folgender Saugrohrdruckverläufe,
20: ein Mittelwertmodell zur Nachbildung des Luftmassenstroms in die Zylinder,
21: eine Modellstruktur zur Nachbildung des Zylinderluftmassenstroms, bei der nach Umlegen eines Schalters ein neuronaler Approximator die DFT ersetzt,
22: eine HiL-Simulation eines Kaltstarts bei 20°C mit den Phasen Anschleppen, Hochlauf und Einregeln auf die Leerlaufdrehzahl,
23: eine HiL – simuliertes Drehmoment an der Kurbelwelle und Luftmassenfluss während des Kaltstarts aus 22,
24: Eingriffe des Motorsteuergeräts während der drei Phasen Anschleppen, Hochlauf und Einregeln der Leerlaufdrehzahl in Reaktion auf die HiL-Simulation des Kaltstarts.
1 zeigt beispielhaft eine Berechnung eines Gasstroms durch eine Drossel ohne Berücksichtigung einer pulsierenden Strömung für eine von einem Öffnungswinkel abhängige Durchflussfunktion. Modellbasierte Regelungen erfordert eine möglichst genaue Beschreibung der Regelstrecke. Die dabei verwendeten Modelle arbeiten meistens mit geeigneten Mittelwerten der dynamischen Größen. Bei Motoren wird z.B. der mittlere Druck im Luftverteiler verwendet, um die Lufmassenströme zu berechnen, die einerseits durch z.B. eine Drosselklappe einströmen und andererseits zu den Zylindern hin abfließen. Der Luftmassenstrom durch die Drosselklappe eines Motors ṁ_L,DK wird z.B. aus dem zeitlichen Mittelwert des Ansaugdrucks vor der Drosselklappe (p_Ans), der Lufttemperatur vor Drosselklappe (ϑ_Ans), dem durch den Drosselklappendurchmesser (D_DK) bestimmten maximalen Querschnitt sowie dem aus dem mittleren Druck im Luftverteiler (p_Saug) berechnet.
Änderungen des Drucks, die unterhalb der zeitlichen Auflösung dieser Modelle liegen, werden hinsichtlich ihres Einflusses auf die Luftströme üblicherweise nicht berücksichtigt.
Tatsächlich wird aber bei der modellbasierten Bestimmung des durch die Drosselklappe in den Luftverteiler eintretenden Luftstroms ein Einfluss des pulsierenden Drucks im Luftverteiler bzw. der infolgedessen in der Drosselklappe pulsierenden Strömung auf die Wirkung der Drosselklappe beobachtet. Wird dieser Effekt wie in z.B. 1 vernachlässigt, führt dies zu einer ungenauen Vorhersage des in den Luftverteiler eintretenden Gasstroms.
Die Pulsation der Strömung wird angeregt durch die aufeinander folgenden Ansaugereignisse der mit dem Luftsammler verbundenen Zylinder. Diese Anregung versetzt Gassäulen in Rohrleitungen mit ggf. angeschlossenen gasgefüllten Volumina in Schwingungen, wobei die Amplitude und Phasenlage der Schwingungen durch das Eigenschwingungsverhalten der miteinander kommunizierenden schwingungsfähigen Systeme bestimmt wird. Diese Effekte werden seit einigen Jahren gezielt genutzt, um durch variable Geometrien des Luft führenden Systems bei unterschiedlichen Drehzahlen die Luftfüllung der Zylinder zu verbessern. Durch variable Ventilsteuerung ggf. zusätzlich zu variabler Geometrie des Ansaugsystems werden weitere Vorteile bei der Steigerung von Leistung und Drehmoment erzielt.
Durch die Veränderung der Geometrie des Ansaugsystems und der Ventilbewegung werden Anregung und Eigenschwingungsverhalten, und damit bei gleicher Drehzahl und gleichem mittleren Druck im Ansaugsystem unterschiedliche Amplituden und Phasenlagen der Druckschwankungen bewirkt.
Abhängig von der Öffnung der Drosselklappe und von der Magnitude der im Ansaugsystem angeregten Schwankungen des Drucks und des Volumenstroms wird die Drosselklappe nicht mehr nur in einer Richtung durchströmt, sondern die Strömung kann die Richtung wechseln und wird den durch die teilgeöffnete Klappe reduzierten Querschnitt wiederholt und mit Verlusten behaftet durchfließen. Dieser Effekt bewirkt, dass der Luftvolumenstrom von dem Wert abweicht, der sich ergeben würde, wenn die zeitlichen Mittelwerte der Drücke vor und hinter der Drosselklappe quasistationär, d.h. ohne überlagerte Schwingungen, vorlägen.
Mit steigenden Anforderungen an die Regelungsgenauigkeit des Motorbetriebs wird auch eine zunehmend genauere Bestimmung und Einflussnahme auf den Luftmassenstrom notwendig. Dieser kann mit unterschiedlichen Reaktionszeiten durch Drosselklappen, durch Verstimmung des Eigenschwingungsverhaltens und durch Eingriffe in das Öffnen und Schließen von Einlass- und Auslassventilen beeinflusst werden. Darüber hinaus bietet das Zumischen von zurückgeführtem Abgas aus dem Abgassystem an den Zylinder vorbei eine weitere Möglichkeit in gewissen Grenzen die Zufuhr von Frischluft zu reduzieren.
Die mit diesen Maßnahmen verbundene Abweichung des Durchflussverhaltens der Drosselklappe von ihrer quasistationären Drosselwirkung erschwert eine genaue Bestimmung der pro Arbeitstakt oder Zyklus durchgesetzten Luftmenge und damit auch die Steuerung und Regelung der Gemischqualität und der Abgasemissionen.
Hinzu kommt, dass die einzelnen Verstellgrößen sich in ihrer Wirkung gegenseitig unterstützen oder schwächen können, d.h. miteinander in Wechselwirkung treten. Eine optimale Steuerung muss diese Wechselwirkungen berücksichtigen, wodurch die Algorithmen sehr aufwendig werden können.
Eine Beschreibung dieser Effekte ist auf traditionelle Weise kaum möglich oder erfordert große Rechenleistungen, die eine Anwendung solcher Rechenmodelle in Steuergeräten erschweren.
Maßzahlen für die Pulsation
Der zeitliche Verlauf des Gasdrucks nahe den Einlassventilen gibt wichtige Hinweise auf den Ablauf und Erfolg des Ansaugvorganges. Wie oben beschrieben, ist der dynamische Verlauf des Gasdrucks eine Folge der durch das Eigenschwingungsverhalten der ggf. variablen Ansauganlage verstärkten Strömungspulsation, die durch die aufeinander folgenden Ansaugvorgänge der über die Ansauganlage miteinander kommunizierenden Zylinder angeregt wird. Diese Anregung wird dabei durch das Öffnen und Schließen der Ventile am Zylinder ggf. variabel beeinflusst. Der zeitlich hoch aufgelöste Verlauf des Gasdrucks enthält als Folge von Anregung und Schwingungsverhalten der Ansauganlage charakteristische Merkmale, die den Pulsationszustand des in der Ansauganlage eingeschlossenen Gases eindeutig beschreiben.
- Diskrete Fourier Transformation
Durch eine schnelle Fourier Transformation („Fast Fourier Transformation" – FFT) lassen sich die Amplituden und Phasenwinkel der Teilschwingungen des Druckverlaufes bei Frequenzen ermitteln, die als Vielfache der durch die Arbeitsspielfrequenz definiert sind. Auf die Arbeitsspielfrequenz normiert bezeichnet man diese Frequenzen als Harmonische, auf die Motordrehzahl normiert heißen diese Frequenzen dann Ordnungen. Da sich infolge der Aufteilung des an sich kontinuierlichen Frequenzbandes in diskrete Intervalle die Energie der Schwingung auf diese diskreten Harmonischen verteilt, wird dieses Vorgehen auch Diskrete Fourier Transformation (DFT) genannt. Eingangsgrößen (der über ein Arbeitsspiel kurbelwinkelaufgelöst abgetastete Druckverlauf) und Ausgangsgrößen (Gleichstromanteil und Amplituden der einzelnen Harmonischen) der DFT sind in z.B. 2 dargestellt.
Eine DFT kann auch während des Motorbetriebs durchgeführt werden. Sofern ein Motor mit einem ausreichend schnellen Druckmesssystem ausgerüstet ist, wird eine Berücksichtigung der ermittelten Amplituden also möglich.
3 beispielsweise zeigt als Beispiel den gemessenen Druck im Saugrohr eines Vierzylindermotors. Die Grundfrequenz ist durch die Zeit definiert, die die Kurbelwelle für zwei vollständige Umdrehungen benötigt.
4 stellt die Ergebnisse der DFT des Druckverlaufs aus 3 dar. Die vierte Harmonische weist die größte Amplitude auf und wird hier zur Normierung der Amplituden aller Harmonischen verwendet, erhält damit selbst die Amplitude „1 ".
Durch die Darstellung des dynamischen Druckverlaufs durch die Amplituden seiner Harmonischen wird eine gewisse Reduktion des Datenmaterials gegenüber den Kurbelwinkel aufgelösten Druckmessdaten erreicht. Jedoch ist die Anzahl der so gewonnenen Kenngrößen im Hinblick auf die Verwendung als Eingangsgrößen für kleine kompakte Echtzeit fähige Modelle immer noch recht groß. Eine weitere Komprimierung zu aussagefähigen Kenngrößen ist sinnvoll und kann durch geeignete Auswahl einer begrenzten Anzahl von Harmonischen im unteren Frequenzband erreicht werden, unter denen sich üblicherweise die mit den größten Amplituden finden.
- Klirrfaktor
Anstelle des vollständigen Amplituden- und Phasengangs, der sich aus der FFT des stromabwärts der Drosselklappe zeitlich hoch aufgelöst gemessenen Drucks ergibt, lässt sich der Einfluss der dynamischen Strömung auf die Wirkung der Drosselklappe durch die zusätzliche Berücksichtigung der zum Klirrfaktor zusammengefassten Grundwellenamplitude
und den Amplituden der Oberwellen
erfassen, vgl. beispielsweise 5. Dieser beschreibt das Verhältnis der Leistungsspektren der Oberwellen zur Grundwelle und berechnet sich gemäß nachstehender Gleichung:

kann hierbei entweder die Amplitude der 1. Harmonischen der Arbeitsspielfrequenz oder die einer anderen Harmonischen sein, falls diese als wichtigster Informationsträger anzusehen ist.
Ohne die Anwendung darauf einzuschränken, ist für die Bewertung von Flussgrößen wie z.B. Strömungsgeschwindigkeit und Massenstrom eine alternative Formulierung des Klirrfaktors unter Einbezug der Energie des Gleichstromanteils
besonders aussagekräftig:
Bei Annäherung an den Wert Eins ist von einer zunehmenden Häufigkeit von Richtungswechseln der pulsierenden Strömung auszugehen, bei kleinen Werten nahe Null dagegen fließt die Strömung praktisch ausschließlich in einer Richtung, oder sie ruht. Im Folgenden wird der Begriff „Klirrfaktor" ohne weitere Einschränkung für beide Formelansätze verwendet.
Ausgehend von gemessenen oder durch Modellrechnungen ermittelten hoch aufgelösten Druckverläufen und deren mittels Diskreten Fourier Transformation ermittelten Amplituden der einzelnen Harmonischen kann durch den Klirrfaktor also die Gesamtheit der mit der DFT ermittelten Daten zu einer Kennzahl zusammengefasst werden, vgl. zum Beispiel unten 9.
Ist für die Regelung des Gasstroms eine entsprechende Messtechnik vorhanden, so kann durch diskrete Fourier Transformation und anschließende Bestimmung des Klirrfaktors für die Regelung eine einzige statt einer großen Anzahl von Kennzahlen bereitgestellt werden, wodurch sich die Regelungsalgorithmen vereinfachen. Auch ohne DFT ist durch entsprechende Messgeräte die unmittelbare Wandlung des dynamischen Messsignals (Druck oder Geschwindigkeit des Gases) in den Klirrfaktor möglich.
Ohne solche Messtechnik müssen das hochaufgelöste Druck- oder Geschwindigkeitssignal, oder die Amplituden der Harmonischen oder gleich der Klirrfaktor durch ein Modell, einen sogenannten virtuellen Sensor, ermittelt werden, um die Dynamik des Strömungsvorgangs zu klassifizieren.
Ein Modell für den Klirrfaktor, vgl. 6, kann parametriert werden, indem die maßgeblichen Einflussgrößen für die Pulsation, Kurbelwellendrehzahl des Motors (n_kw), die Stellungen schaltender Elemente und eventuell kontinuierlich verstellbare Geometriegrößen im Ansaugsystem sowie die Stellgrößen einer eventuell vorhandenen variablen Ventilsteuerung mit dem Klirrfaktor korreliert werden, der sich aus dem im Zuge der Applikation gemessenen Druckverlauf im Ansaugsystem ergibt.
Ein solcher mehrdimensionaler Zusammenhang lässt sich besonders effizient durch ein statisches neuronales Netz (SNN) darstellen. Im Zuge der Applikation werden die Modellkonstanten („Gewichte") dieses Neuronalen Netzes durch einen Trainingsalgorithmus gezielt dahingehend verändert, dass die Abweichung des vom Modell in Abhängigkeit seiner Eingangsgrößen ausgegebene Wert des Klirrfaktors von dem aus den Messdaten ermittelten Wert minimal wird.
Ein solcher mehrdimensionaler Zusammenhang lässt sich besonders effizient durch ein statisches neuronales Netz (SNN) darstellen. Im Zuge der Applikation werden die Modellkonstanten („Gewichte") dieses Neuronalen Netzes durch einen Trainingsalgorithmus gezielt dahingehend verändert, dass die Abweichung des vom Modell in Abhängigkeit seiner Eingangsgrößen ausgegebene Wert des Klirrfaktors von dem aus den Messdaten ermittelten Wert minimal wird.
7 zeigt ein Training eines Klirrfaktormodells unter Verwendung eines neuronalen Netzes.
Das neuronale Netz wird also im Verlauf des Trainings so parametriert, dass es die beobachteten Kombinationen von Eingangsgrößen und zugehörigem Klirrfaktor möglichst gut approximiert und dazwischen glatte Übergänge liefert. Man spricht dann auch von einem neuronalen Approximator.
Für die Regelung der Gasströmung als Prozesses wird dann eine Fortsetzung des Trainingsprozesses durch permanente Vorgabe eines Fehlers von Null unterbunden (vgl. beispielsweise 8). 8 zeigt einen Einsatz eines Klirrfaktormodells unter Verwendung eines neuronalen Netzes mit deaktiviertem Trainingsprozess.
Für schnelle Änderungen der Drehzahl und/oder der Einstellgrößen der Strömungsregelung kann es zu Verzögerungen beim Einschwingen der Gassäulen und des gesamten Prozesses kommen. Wenn die dadurch entstehenden Abweichungen für die Regelung bedeutsam sind, ist anstelle eines statischen neuronalen Approximators die Verwendung eines dynamischen neuronalen Approximators möglich, bei dem zusätzlich zu den aktuellen Werten der Eingangsgrößen des statischen neuronalen Netzes auch deren Vorgeschichte und/oder zurückliegende Werte des Klirrfaktors als zusätzliche Eingangsgrößen Berücksichtigung finden.
- Standardabweichung, Root Mean Square, Varianz
Neben dem Klirrfaktor und den Amplituden der einzelnen Harmonischen und dem Gleichstromanteil (Mittelwert) kann die pulsierende Strömung bzw. der Gasdruck durch statistische Maßzahlen wie die Standardabweichung, Effektivwert und Varianz beurteilt werden. Dabei ist zu beachten, dass diese für Druck und Geschwindigkeit deutlich unterschiedliche Wertebereiche ergeben, was sich durch die deutlich unterschiedlichen Mittelwerte erklären lässt.
Auch für diese Maßzahlen gilt, dass sie analog zum Vorgehen beim Klirrfaktor durch ein Modell erzeugt werden können, wenn im Regelkreis die benötigten Sensoren nicht vorhanden sind.
Stellvertertend für die möglichen Maßzahlen zur Beurteilung der pulsiernden Gasdrücke und Strömungen soll im weiteren Verlauf der Klirrfaktor genannt werden.
Pulsationskorrektur der Drosselklappenwirkung
Der Klirrfaktor kann entweder über eine geeignete Funktion zur Korrektur des auf konventionelle Weise vorhergesagten Drosselklappen-Luftstroms (vgl. beispielsweise 9) verwendet werden oder gleich als zusätzliche Eingangsgröße eines mehrdimensionalen mathematischen Modells des Drosselklappen-Luftstroms dienen. Reicht der Klirrfaktor als alleinige Maßzahl zur Beschreibung der Pulationseffekte aus, so ist der in beispielsweise 9 dargestellte Pulsationskorrekturfaktor nur noch eine eindimensionale Funktion. Diese kann durch ein Polinom, ein neuronales Netz oder ein anderes Approximationsverfahren dargestellt und mit Messdaten parametriert werden.
9 zeigt ein erweitertes Drosselklappen-Luftstrommodell mit Berücksichtigung des Klirrfaktors, hier als Eingang einer Pulsations-Korrekturfunktion.
10 zeigt ein erweitertes Drosselklappen-Luftstrommodell mit Berücksichtigung des Klirrfaktors, hier als zusätzlicher Eingang eines neuronalen Netzes.
Wie bereits erwähnt kann der Klirrfaktor durch Auswertung von Sensorgrößen in der Regelstrecke oder durch ein Modell erzeugt werden. Bei einer Modellstruktur wie in beispielsweise 9 kann das Modell des Drosselklappenluftmassenstroms rein quasistationär ausgeführt werden, die pulsationsbedingten Abweichungen werden in der vom Klirrfaktor abhängigen Korrekturfunktion erfasst.
Die Nutzbarkeit des Ansatzes wird durch 11 verdeutlicht.
11 zeigt einen Einfluss der Verstellung der Ventilsteuerzeiten auf den Klirrfaktor und den Luftmassenstrom durch die Drosselklappe.
In obiger Darstellung wird bei konstanter Motordrehzahl und Drosselklappenstellung der Phasensteller der Nockenwelle betätigt, wodurch sich eine Änderung des Luftmassenstroms durch die Drosselklappe ergibt.
Der Mittelwert des Drucks spiegelt diese Änderung nicht wieder, der Klirrfaktor zeigt aber deutliche Unterschiede der Pulsationshaltigkeit des Druckverlaufs an.
Durch Anwendung der Klirrfaktor-Korrekturfunktion kann der Massenstrom durch die Drosselklappe nachgebildet werden.
Typischerweise treten Pulsationseffekte besonders bei weit geöffneter Drosselklappe und damit bei kleineren Druckdifferenzen über die Drosselklappe auf. Der Gleichstromanteil der Strömungsgeschwindigkeit im engsten Querschnitt ist damit ungleich geringer als bei großen Druckdifferenzen, z.B. bei Teillast. Schwankungen der Strömungsgeschwindigkeit können daher schneller zu einer wiederholten zeitweisen Strömungsumkehr und den damit verbundenen Seiteneffekten führen als bei weiter geschlossener Klappe.
Reduktion der Dimensionen der Funktion im Zylinderluftmengenmodell
Während für Motoren mit invariablen Ansaugsystemen und invariabler Ventilsteuerung Mittelwerte von Luftdruck und -temperatur sowie die Motordrehzahl ausreichen, um das vom Motor angesaugte Gasvolumen zu ermitteln, kommen nun bei Motoren mit variablen Ansaugsystemen und Ventilsteuerungen Amplituden- und ggf. Phasengang der Druckpulsation als charakteristische Größen hinzu. Diese zusätzlichen Eingangsgrößen für das Modell des angesaugten Gasvolumens können unterschiedlich umfangreich berücksichtigt werden. Im Interesse einer geringen Zahl von Eingangsgrößen reicht es oft aus, nur einige niederfrequente Anteile, z.B. die unteren drei bis vier Harmonischen der Grundfrequenz zu verwenden. Eine noch kompaktere Form des Modells ergänzt Luftverteilerdruck (Mittelwert p_Saug, Kurbelwinkel aufgelöst p_Saug (φ)), Lufttemperatur (ϑ_Saug) und die Drehzahl der Kurbelwelle des Motors (n_KW) nur noch den Klirrfaktor, der die Amplituden der Schwingungsformen zu einer Maßzahl verdichtet.
Die funktionale Abbildung des mehrdimensionalen Eingangsraumes auf den vom Motor angesaugten Gasstrom geschieht zweckmäßigerweise, aber nicht zwingend, mit einem künstlichen neuronalen Netz.
12 zeigt ein Modell zur Berechnung des Luftmassenstroms aus dem Luftverteiler.
Im Falle von externer Abgasrückführung ist der beschriebene Modellaufbau nicht für den Luftmassenstrom sondern anstelle dessen für einen Gasvolumenstrom aus dem Luftverteiler in die Zylinder vorzunehmen. Nach Multiplikation mit der Dichte des Gases im Sammler und nach Abzug des Anteils des zurückgeführten Abgases im Luftverteiler ergibt sich die gesuchte Luftmasse, die von den Zylindern angesaugt wird.
Einsatz des pulsationskompensierten Luftmassenstrommodells
Ein solches Luftpfadmodell kann einerseits dazu verwendet werden, um wie beschrieben auf Grundlage der momentanen Einstellgrößen gemeinsam mit Druck, Temperatur und Mischungszustand im Saugrohr sowie der Motordrehzahl die aktuell oder in nächster Zukunft angesaugte Luftmenge zu bestimmen und damit den Zylindern eine geeignete Kraftstoffmenge zumessen zu können. Zusätzlich kann die invertierte Funktion dazu genutzt werden, gezielt die Einflussgrößen des angesaugten Volumens zu verstellen, um eine dem Zielwert des Drehmoments angemessene Luftmenge einzustellen.
Ausweitung des Verfahrens auf Anwendung für z.B. Abgasrückführventile
Analog zum Vorgehen bei der Korrektur des Luftstroms durch die Drosselklappe kann die Abweichung des Drosselverhaltens durch pulsierende Strömung auch für andere Ventile verwendet werden, welche Gasströme regeln, z.B. Abgasrückführventile. So lässt sich bei geeigneter Abstimmung eine genauere Steuerung der Abgasrückführrate erreichen, und ein bei steigenden Genauigkeitsanforderungen notwendiger Sensor für die Kohlendioxid-Konzentration kann ggf. vermieden werden.
Verfahren zur Berücksichtigung des Pulsationseinflusses auf Mischungsvorgänge
Die Pulsation der Strömung hat weiterhin einen Einfluss auf die Vermischung von Gasen in der Abgasstrecke. Davon hängt wiederum ab, wann, wie eindeutig und ob überhaupt durch Sensoren im Abgas erfasste Größen, wie z.B. die Gemischqualität, sich einem vorherigen Betriebszustand einzelner Zylinder zuordnen lassen. Durch die Bewertung des Spektrums der Strömungspulsation (Druck und/oder Strömungsgeschwindigkeit), ggf. in verdichteter Form unter Verwendung des Klirrfaktors, können durch Mischungseffekte beeinflusste Signalabstände und Totzeiten des Regelkreises im Verlauf der Applikation bestimmt und bei der Auslegung von Regelfunktionen berücksichtigt werden.
Verfahren zur Berücksichtigung des Pulsationseinflusses auf Zweiphasen-Strömungen
Durch die Pulsation der Gassäule im Einlasssystem von Motoren mit Saugrohreinspritzung wird auch der Aufbau und die Verteilung von Kraftstoff beeinflusst, der sich nach der Einspritzung an der Wand niederschlägt. Da die von der Gasströmung auf die Flüssigkeitsoberfläche ausgeübten Reibungskräfte den Flüssigkeitsfilm in Bewegung setzen, wirken sich die gegenüber dem Mittelwert überhöhten Spitzen der Gasgeschwindigkeit dahingehend aus, dass sich die vom Wandfilm benetzte Rohroberfläche schneller ausbreitet als dies dem Mittelwert der Gasgeschwindigkeit entspricht. Physikalisch basierte Modelle benötigen aber diese Information der benetzten Fläche, da sie ein wichtiger Parameter für die Verdampfungsrate des Wandfilms ist. Ein Verfahren zur Regelung der Kraftstoffeinspritzung, das auf einem solchen Wandfilmmodell basiert, gewinnt durch die Berücksichtigung der Pulsationseffekte in Form des Klirrfaktors erheblich an Genauigkeit. Sofern auswertbare Informationen über die instationäre Strömungsgeschwindigkeit des Gases im Bereich der benetzten Wände vorliegen, bietet sich hier die Anwendung des Klirrfaktors auf die Strömungsgeschwindigkeit besonders an. Ersatzweise kann aber auch der pulsierende Druck in der näheren Umgebung ausgewertet werden.
Über die Verwendung eines wie oben geschilderten Faktors gelingt es somit beispielsweise, alle pulsationsbeeinflussenden Stellgrößen zusammenfassen zu können.
Das oben dargestellte Beispiel für die an der Drosselklappe beobachteten Pulsationseinflüsse ist jedoch nicht die einzige Anwendungsmöglichkeit der Regelung. Beispielsweise können die Luftmassenströme vom Verteiler in die Zylinder ebenfalls so geregelt werden, insbesondere unter Berücksichtigung der Verhältnisse an AGR-Ventilen und Drosselklappen.
Ein weiteres Beispiel zur Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend näher beleuchtet.
Mit diesem Beispiel wird ein Ansatz dargestellt, in dem ein Verfahren zur Bewertung des Einflusses pulsierender Gasströme im Saugrohr zur Berücksichtigung des Einflusses variabler Verschiebung der Profile auf der Nockenwelle dargestellt und am Beispiel des Kaltstart- und Warmlaufverhaltens eines Referenzmotors mit erweiterter Ventiltrieb-Variabilität verifiziert wurde.
Die Messungen wurden mit einem 1,6 Liter Ottomotor durchgeführt, der auf einem hochdynamischen Motorenprüfstand betrieben wurde. Hierbei konnten für die ersten Untersuchungen Kaltstarts bei 20°C durchgeführt werden. Auch der gesamte Warmlauf bis zur Betriebstemperatur wurde sowohl von einer autonomen, PC-basierten Messanordnung als auch von einem ETK-Steuergerät und den Messmöglichkeiten der Applikationstools INCA(R) aufgezeichnet.
Basierend auf zuvor im Freiland durchgeführte Fahrzeug-Kaltabfahrten mit einem großvolumigeren und leistungsstärkeren Motor, wurden diese Fahrprofile auf die Verhältnisse am Motorenprüfstand und auf den anderen Prüfling geeignet angepasst.
Hierbei wurden sowohl Sollverläufe für den n/M-Betrieb (Vorgabe der Drehzahl und des Drehmomentes) als auch für den α/n-Betrieb (Vorgabe der Fahrpedalposition und der Drehzahl) generiert.
Der verwendete Motor weist eine Vielzahl von Variabilitäten auf, z.B. im Bereich des Ansaugsystem, z.B. eine Abgasrückführung. Mögliche weitere Variabilitäten sind im Luftpfad, im Ventilhub (Nockenwelle), Ventilphase (Nockenwelle), Schaltsaugrohr, Ladungsklappe.
Da es sich bereits im Vorfeld abgezeichnet hat, dass die Messung des Saugrohrdrucks an zentraler Lage im Sammler, aufgrund der Überlagerung verschiedener Zylinder zu wenig detaillierte Information bietet, wurden die Drucksensoren unmittelbar vor den jeweiligen Einspritzventilen der einzelnen Zylinder positioniert.
Die in 13 dargestellte Grundstruktur des Funktionsblocks echtzeitfähiges Luftpfadmodell basiert häufig verwendeten Saugrohr-Behältermodellansatz, d.h. auf der Füll- und Entleermethode von Behältern. Hierbei wird die Druckänderung im Saugrohrvolumen aus den Luftmassenströmen berechnet, welche durch die Drosselklappe zu- und zu den Zylindern hin abfließen. Aufgrund der physikalisch motivierten Grundstruktur, steht mit dem parametrierten Funktionsblock ein Simulationsmodell zur Verfügung, welches neben dem Luftmassenfluss durch die Drosselklappe zusätzlich die virtuellen Sensorsignale Saugrohrdruck und Luftmassenfluss in die Zylinder bereitstellt. Wiederum konnte durch den Einsatz statischer neuronaler Netze (SNN) zur Nachbildung der einzelnen Massenströme insbesondere die Simulationsstabilität und damit die Implementierbarkeit als echtzeitfähiges Modell sichergestellt werden.
Durch die Rückkopplung des Saugrohrdrucks als Eingang der Massenstrom-Berechnungen und in Kombination mit der zeitlichen Integration entsteht eine dynamische Struktur, die in der Lage ist, eine verzögerte Reaktion der Verbrennungsluftmenge – beispielsweise hervorgerufen durch eine plötzliche Änderung der Drosselklappenstellung – geeignet zu berücksichtigen. Basierend auf der idealen Gasgleichung
kann das dynamische Verhalten des Luftpfads mit einer Differenzengleichung
geeignet nachgebildet werden. Mit dieser Modellstruktur wird ein so genanntes „Mittelwertmodell"-Verhalten erreicht, wobei die zeitliche Auflösung, d.h. die Abtastzeit Δt so gewählt wurde, dass Schwankungen während eines Arbeitsspiels des Motors gemittelt werden. Dieses bedingt, dass dem Modell auch eingangsseitig nur jeweils über ein Arbeitsspiel gemittelte Werte zuzuführen sind.
Zur Berücksichtigung der Ventiltrieb-Variabilität wurden dem Modell weitere Eingänge hinzugefügt.
Wie zuvor erläutert, konzentrieren sich die nachfolgenden Betrachtungen auf die Verstellung des Öffnungs- bzw. Schließwinkel der Einlassventile und somit auf die Variabilität Nockenwellen-Shift α_NW.
13 zeigt ein Luftpfad-Behältermodell mit Berücksichtigung des Einflusses der Ventiltrieb-Variabilität.
In den nachfolgenden Abschnitten werden Drosselklappenmodell sowie die Realisierung der einzelnen Teilmodelle detailliert betrachtet.
Drosselklappenmodell
Eine primäre Teilkomponente des in Bild #1 dargestellten modularen Luftpfadmodells stellt die Nachbildung des Luftmassenstroms durch die Drosselklappe dar. Basierend auf grundsätzlichen Überlegungen gelangt man zunächst zum Schluss, dass der Luftmassenstrom ṁ_Luft,DK allein in Abhängigkeit der Eingänge
Drosselklappenposition α_DK,
Ansauglufttemperatur ϑ_Ans und
Saugrohrdruck p_Saug
nachgebildet werden kann. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass nur bei hinreichend detaillierter Betrachtung, in diesen Eingangsgrößen sämtliche Informationen zu den Strömungsverhältnissen im Saugrohr enthalten sind. D.h. die Einflüsse von Kolbengeschwindigkeit, Ventiltrieb-Variabilitäten und sonstigen, das Saugrohrvolumen oder die Luftzusammensetzung beeinflussende Maßnahmen, mit denen der Schwingkreis Saurohr verstimmt werden kann, sind nur im zeitlich und räumlich hoch aufgelösten Saugrohrdrucksignal enthalten.
Da dem Modell definitionsgemäß nur im Arbeitsspiel gemittelte Werte zugeführt werden, muss die fehlende Information durch die zusätzlichen Eingänge
Motordrehzahl n_KW und
Nockenwellen-Shift α_NW
eingebracht werden.
Die obigen Betrachtungen werden auch durch die in 14 und 15 dargestellten Messungen bestätigt. Trotz annähernd konstanter Eingänge [α_DK ϑ_Ans P_Saug] und Drehzahl n_KW variiert der Luftmassenfluss dm_Luft,DK/dt im Bild #3 um ± 5 kg/h, d.h. um über 4 %. Im zugehörigen Verlauf Nockenwellen-Shift α_NW wird die Verstellung des Öffnungs- bzw. Schließwinkel der Einlassventile während der Messung dargestellt, wodurch offensichtlich die Veränderung des Luftmassenflusses ṁ_Luft,DK hervorgerufen wird.
Im Bild #4 wurden hingegen die Eingänge [α_DK ϑ_Ans P_Saug] sowie die nominale Nockenwellen-Shift α_NW annähernd konstant gehalten. Die geringfügigen Schwankungen der Saugrohrdruckmittelwerte um ± 5 mbar im oberen Bereich, d.h. bei Umgebungsbedingungen, sind vom Rauschen so stark überlagert, dass eine allein hierauf basierende Nachbildung des Luftmassenflusses ṁ_Luft,DK nur unzureichende Ergebnisse liefern würde. Dagegen kann aus dem ursächlichen Verlauf der Drehzahlmittelwerte unmittelbar auf die Luftmassenflussänderungen geschlossen werden. Die zweimal durchgeführte Erhöhung der Drehzahl n_KW um jeweils 600 min^–1 führt zu:
Hieraus wird ersichtlich, dass bei der Nachbildung des Luftmassenstroms durch die Drosselklappe auf die zusätzlichen Eingänge n_KW und α_NW nicht verzichtet werden kann.
Im jeweils unteren Diagramm in Bild #3 und Bild #4 sind die Verläufe des synchron ermittelten Klirrfaktors F_Klirr dargestellt. Hierbei wurde individuell für jedes Arbeitsspiel eine Bestimmung dieses Faktors durchgeführt, ausgehend vom zeitlich hoch aufgelöst gemessenen Saugrohrdruckverlauf in diesem Zyklus. Die Hintergründe hierzu werden im Folgenden detailliert erläutert.
14 zeigt, dass eine Variation des Luftmassenfluss dm_Luft,DK/dt bei annähernd konstanten Eingängen [α_DK ϑ_Ans P_Saug] sowie Drehzahl n_KW offensichtlich von der Nockenwellen-Shift α_NW verursacht wird, deren Auswirkung sich weiterhin eindeutig mittels Frequenzanalyse des Saugrohrdrucksignals, bzw. aus dem Klirrfaktor F_Klirr bestimmen lässt.
15 zeigt, dass sich hier als zusätzlicher Eingang des Drosselklappenmodells die Motordrehzahl n_KW aufdrängt, da bei Umgebungsbedingungen allein mit den stark verrauschten Schwankungen der Saugrohrdruckmittelwerte nur unzureichend auf den Luftmassenflusses ṁ_Luft,DK geschlossen werden kann. Alternativ lassen sich große Änderungen der Luftmasse aus dem Verlauf des Klirrfaktors F_Klirr ableiten.
Messdatenbasierte Aufprägung:
Die Modellbildung kann in nahe liegender Weise, zunächst mit einem, ausschließlich auf Messdaten basierenden Ansatz erfolgen. Wie in 16 dargestellt, ist zunächst mit einem Messdatensatz für nominale Bedingungen, d.h. Nockenwellen-Shift α 0 / NW ≈ 0°KW und für eine mittlere Motordrehzahl n 0 / KW ein nominales Modell zur Nachbildung des Luftmassenstroms durch die Drosselklappe ṁ 0 / Luft,DK zu parametrieren.
16 zeigt, dass das Mittelwertmodell zur Nachbildung des Luftmassenstroms durch die Drosselklappe die zusätzlichen Eingänge Motordrehzahl n_KW und Nockenwellen-Shift α_NW benötigt, deren Einfluss explizit aufgeprägt wird.
Mit einem weiteren Messdatensatz, der mit frei variierter Nockenwellen-Shift und Motordrehzahl aufgenommen wurde, lassen sich dann Sollwerte generieren, anhand derer beispielsweise ein statisches neuronales Netz f_SNN trainiert werden kann, so dass
Physikalisch bzw. signalanalytisch motivierte Aufprägung:
Allein aus dem zeitlich und räumlich hoch aufgelösten Saugrohrdrucksignal in Kombination mit Drosselklappenposition und Ansauglufttemperatur auf die Strömungsvorgänge im Saugrohr zu schließen, ergibt weitere Vorgehensweisen zur Modellbildung. Der Vorteil gegenüber einer allein auf Messdaten gestützten Modellbildung besteht darin, dass zu sätzliche Informationen des Prozesses gewonnen und in Form virtueller, aber physikalisch relevanter Sensorsignale zur Verfügung stehen.
Hierbei kann berücksichtigt werden, aus dem Saugrohrdruckverlauf in den jeweiligen Arbeitsspielen nicht nur den Mittelwert bzw. Gleichanteil sondern auch noch weitere Merkmale zu extrahieren, was auf drei grundsätzlich unterschiedliche Weisen bzw. Zielsetzungen erfolgen kann:

• Es werden Merkmale extrahiert, mit denen der Verlauf im Zyklus eindeutig rekonstruiert werden kann. Dieses Vorgehen dient maßgeblich zur Nachbildung des Originalsignals.
• Basierend auf physikalischen Betrachtungen werden signifikante Bereiche und Verlaufsmerkmale bestimmt, d.h. beispielsweise eine Niederdruck-Indizierung durchgeführt, um mit den physikalisch interpretierbaren Merkmalen den jeweiligen Verlauf im Arbeitsspiel bewerten und weiterverarbeiten zu können.
• Das Signal wird einer Fourier-Transformation unterzogen um anschließend eine Spektralanalyse durchzuführen. Diese Analyse erfolgt zunächst unter der Annahme einer periodischen Signalfolge von Arbeitsspiel zu Arbeitsspiel und ermittelt individuell für jeden Zyklus neben Gleichanteil auch die Anteile von Grundwelle und Oberwellen. Aus dem resultierenden Leistungsspektrum wird schließlich ersichtlich, wie stark die einzelnen Frequenzanteile vertreten sind.

Allen drei Vorgehensweisen ist gemein, dass der Verlauf im Arbeitsspiel quantifiziert wird, wobei in der Regel eine Datenreduktion angestrebt ist, d.h. die Merkmalsanzahl sollte stets deutlich geringer sein als die Anzahl der Stützstellen bzw. Abtastungen.
Eine Rekonstruktion des Originalsignals, wie beispielsweise des in 17 dargestellten Saugrohrdruckverlaufs, wurde nicht beabsichtigt. Auch scheidet eine Mittelwertbildung signifikanter Bereiche nach Betrachtung des durchaus typischen Verlaufs in 18 zunächst aus, zumindest in Hinblick auf die Modellbildung. Daher wird nachfolgend der Saugrohrdruckverlauf mittels Fast-Fourier-Analyse näher untersucht, wobei sich der hieraus abgeleitete Klirrfaktor als geeignete Quantifizierung herausgestellt hat. Dieses bestätigen auch die in 14 und 15, jeweils im unteren Diagramm dargestellten Verläufe.
Die weiteren Ausführungen konzentrieren sich auf eine Analyse des zeitlich hoch aufgelösten Saugrohrdrucksignals. Hierzu wurden sämtliche Messungen mit einer Abtastrate von 1°KW durchgeführt, wie auch im Abschnitt Experimentelle Untersuchungen am Motorenprüfstand bereits erläutert. In 17 wird der so abgetastete Saugrohrdruckverlauf für einen vollständigen Arbeitszyklus von 720°KW, also zwei Umdrehungen, dargestellt und kann dem Arbeitsspiel mit lfd. Nr. 11 in 14 zugeordnet werden. Hiermit kann auch auf die zugehörigen Betriebsbedingungen geschlossen werden, d.h. n_KW ≈ 2400 min^–1 etc. Mit 0°KW wurde in 17 die Position des oberen Totpunktes bei Zündung (Zünd-OT) des 1. Zylinders gekennzeichnet, vor dessen Einlassventil (vgl. 13) auch die Druckmessung erfolgte.
In 18 ist das zugehörige normierte Leistungsspektrum, als Balkendiagramm dargestellt. Hierzu wurde der in 17 dargestellte Saugrohrdruckverlauf zunächst einer diskreten Fourier Transformation (DFT) unterzogen, was nachfolgend näher erläutert wird. Aus den komplexen Fourier-Koeffizienten lässt sich ein diskreter Verlauf des Leistungsspektrums für eine geeignete Anzahl von Stützstellen ermitteln, der in 18 als durchgehende Linie dargestellt ist. Aus diesem Verlauf lassen sich wiederum die Amplituden der Grund- und Oberwellen ermitteln, mit denen schließlich der, dem jeweiligen Arbeitsspiel zugehörige Klirrfaktor berechnet werden kann.
Recht gut ist die, auf den Amplitudenwert 1 normierte Grundwelle ersichtlich, die gegenüber den überlagerten Oberwellen deutlich dominiert.
17 zeigt zyklische Schwankungen des Saugrohrdrucks in einem Arbeitsspiel (4 Takte). Die Messung erfolgte winkeläquidistant im 1°KW-Raster, unmittelbar vor dem Einlassventil des ersten Zylinders (0°KW ... Zünd-OT-Pos. des 1. Zyl.)
18 zeigt ein normiertes Leistungsspektrum des in 17 dargestellten Saugrohrdruckverlaufs, welches mittels diskreter Fourier Transformation (DFT) ermittelt wurde. Der zugehörige Klirrfaktor beträgt in diesem Arbeitsspiel F_Klirr ≈ 45,1 %
Diskrete Fourier Analyse, Leistungsspektrum und Klirrfaktor
Nachfolgend wird der Hintergrund des Algorithmus erläutert, mit dem die Berechnung der diskreten Fourier Transformation (DFT) durchgeführt wird:
Das Leistungsspektrum y_LS kann daher elementweise mittels
bestimmt werden. Unter Verwendung des Leistungsspektrums kann schließlich das Verhältnis zwischen Grundwelle und ihrer Harmonischen, bzw. zwischen der Grundwellen-Amplitude ŷ₁ und den Amplituden der Oberwellen ŷ₂, ŷ₃, ... mit Hilfe der Definition des Klirrfaktors
quantifiziert werden.
Mit den obigen Betrachtungen kann nun die in 16 dargestellte und lediglich auf Messdaten basierende Struktur zur Nachbildung des Luftmassenstroms zu einem Mittelwertmodell modifiziert werden, welches als Zwischengröße, bzw. virtuelles Sensorsignal, die Klirrfaktoren F_Klirr der Saugrohrdruckverläufe individuell für einzelne Arbeitsspiele sowohl bereitstellt als auch verwendet. Eine solche Struktur ist in 19 dargestellt und eignet sich insbesondere, um Klirrfaktor-Verläufe für aufeinander folgende Arbeitsspiele ermitteln zu können. Bei Schalterstellung wie in Bild #6 wird das Modell zunächst in einer Anlernphase betrieben. Hierbei werden bei einem Training die Wichtungen des neuronalen Netzes so angepasst, dass der Netzausgang F_Klirr möglichst gut mit den per DFT ermittelten Sollwerten F_Klirr übereinstimmt. Mit Umlegen des Schalters (vgl. 19) wird das Training beendet und die Nachbildung des Klirrfaktors erfolgt autonom durch den neuronalen Approximator und macht die DFT während der Simulation entbehrlich.
Die Bestimmung des Klirrfaktors kann somit entweder direkt mittels parallel berechneter DFT als F_Klirr = f(FFT{p_Saug(φ)}) erfolgen oder alternativ mit einem neuronalen Netz, abhängig vom jeweiligen Betriebspunkt mittels F_Klirr = f_MLP(n_KW, α_NW)
Der Abgleich der eindimensionalen Korrekturfunktion f_Korr erfolgt analog zum Vorgehen nach Gleichung (#7).
19 zeigt ein DFT-Mittelwertmodell zur Nachbildung des Luftmassenstroms durch die Drosselklappe verwendet die Klirrfaktoren F_Klirr aufeinander folgender Saugrohrdruckverläufe
Das Modell in 19 stellt eine Struktur dar, mit der allein aus dem zeitlich hoch aufgelösten Saugrohrdrucksignal in Kombination mit mittlerer Drosselklappenposition und Ansauglufttemperatur auf die Strömungsvorgänge im Saugrohr geschlossen werden kann. Durch die Nachbildung des Klirrfaktors mittels neuronaler Approximation arbeitet das Modell alternativ nur mit, jeweils über ein Arbeitsspiel gemittelten Eingangswerten. Und trotzdem liefert dieser Modellansatz Informationen über die hochfrequenten Luftschwingungs- bzw. -strömungsverhältnisse im Saugrohr.
In analoger Weise kann auch mit den weiteren Ergebnissen bzw. Ausgängen der DFT-Analyse verfahren werden. D.h. die bislang noch explizit unberücksichtigten Amplituden ŷ₁, ŷ₂, ŷ₃, ... können ebenfalls als eigenständige Merkmale oder auch in Kombination, jeweils mit einem Approximator betriebspunktabhängig nachgebildet werden.
Dieses Vorgehen stellt insbesondere eine zielführende Maßnahme dar, wenn weitere Variabilitäten im Ventiltrieb, im Ansaugtrakt und/oder ganz allgemein bei der Gemischbildung berücksichtigt werden sollen.
Anmerkung:
Im Bedarfsfall besteht sogar die Möglichkeit, den Zusammenhang F_Klirr = f_MLP(n_KW, α_NW) mit einem dynamischen Simulationsmodell FKlirr(k + 1) = fTDNN(nKW(k), ..., αNW(k), ..., FRück(k), ...) (#8)nachzubilden, wobei F_Rück(k) = F_Klirr(k). Oder mittels F_Rück(k) = F_Klirr(k), – sofern die DFT im Modell implementiert bleibt – eine Prädiktion durchzuführen.
Zylinderluftmassenmodell
Die zweite zentrale Komponente des in 12 dargestellten modularen Luftpfadmodells stellt die Nachbildung des Luftmassenstroms in die Zylinder dar. Basierend auf grundsätzlichen Überlegungen gelangt man auch hierbei zunächst zu dem Schluss, dass der Luftmassenstrom ṁ_Luft,Zyl allein in Abhängigkeit der Eingänge
Motordrehzahl n_KW
Saugrohrtemperatur ϑ_Saug und
Saugrohrdruck p_Saug
nachgebildet werden kann. Wie schon beim Drosselklappenmodell, enthalten diese Eingangsgrößen jedoch nur bei hinreichend detaillierter Betrachtung, sämtliche Informationen zu den Strömungsverhältnissen im Saugrohr.
Da dem Modell definitionsgemäß nur im Arbeitsspiel gemittelte Werte zugeführt werden, muss die fehlende Information, zumindest teilweise durch die zusätzlichen Eingänge
Drosselklappenposition α_DK und
Nockenwellen-Shift α_NW
eingebracht werden, wie im zugehörigen Mittelwertmodell in 20 dargestellt. Hierbei wird der Zusammenhang
vom nominalen Zylinderluftmassenmodell ṁ 0 / Luft,Zyl nur unter der Voraussetzung eines theoretischen Luftaufwands λ_α = 1 hinreichend genau nachgebildet. Die mittlere Abweichung – gegenüber dem tatsächlichen Luftaufwand – kann wie zuvor beseitigt werden, d.h. analog zum Vorgehen nach Gleichung (#7), mit Hilfe eines neuronalen Korrekturglieds und ausschließlich auf Messdaten basierend.
Wird nun wiederum eine Merkmalsextraktion des Saugrohrdruckverlaufs im Arbeitsspiel f_Quant(FFT{p_Saug(φ)}) durchgeführt, d.h. DFT und anschließende Ermittlung einer geeigneten Quantifizierung, wie beispielsweise der Klirrfaktor F_Klirr, so kann dieses Merkmal entweder direkt zur Bestimmung des tatsächlichen Luftaufwands λα = fLA(FKlirr, nKW) (#10)verwendet werden oder es wird als virtuelle Messgröße FKlirr ≈ FKlirr = fMLP(αDK, αNW) (#11)abhängig vom jeweiligen Betriebspunkt, von einem neuronalen Netz nachgebildet.
20 zeigt, dass das Mittelwertmodell zur Nachbildung des Luftmassenstroms in die Zylinder die zusätzlichen Eingänge Drosselklappenposition α_DK und Nockenwellen-Shift α_NW benötigt, deren Einfluss explizit aufgeprägt wird.
21 zeigt, eine Modellstruktur zur Nachbildung des Zylinderluftmassenstroms, bei der nach Umlegen des Schalters ein neuronaler Approximator die DFT ersetzt.
Anmerkung:
Alternativ kann die Bestimmung des Luftaufwands auch mittels λ_α = f_LA,Σ(F ~_Klirr(α_DK, α_NW, n_NW)) erfolgen.
Simulationsergebnisse Luftpfad
Hierbei muss insbesondere berücksichtigt werden, dass im Gesamtverbund (vgl. 12) die Einflüsse von Motordrehzahl n_KW, Drosselelklappenposition α_DK und insbesondere Nockenwellen-Shift α_NW nicht durch die strukturbedingte Subtraktion beider Massenströme einfach aufgehoben wird.
Hardware-in-the-Loop (HiL)-Simulation
Die oben behandelten physikalisch/neuronalen Kombimodelle wurden auf einem HiL-Simulator implementiert und im Verbund mit einem originalen Steuergerät überprüft und Einregeln auf die Leerlaufdrehzahl
In 22 bis 24 sind die Verläufe verschiedener Messgrößen aus der HiL-Simulation eines Kaltstarts bei 20°C dargestellt, die mit einem CARTS-System durchgeführt wurden. Nach dem simulierten Aufschalten der Anlasserspannung wird das Neuromodell mit Anlasserdrehzahl geschleppt und springt an, sobald laut Berechnung ein Zylinder mit einem als zündfähig erachtetem Gemisch versorgt wird. Entsprechend der Motorträgheit und dem freigegebenen Moment dreht der Neuro-Motor hoch und wird durch Steuergeräteeingriffe wie Zündwinkel, Drosselklappenwinkel und Einspritzmenge auf die gewünschte Leerlaufdrehzahl geregelt, solange der Pedalweggeber Leerlauf signalisiert.
22 zeigt eine HiL-Simulation eines Kaltstarts bei 20°C mit den Phasen Anschleppen, Hochlauf und Einregeln auf die Leerlaufdrehzahl.
23 zeigt ein HiL-simuliertes Drehmoment an der Kurbelwelle und Luftmassenfluss während des Kaltstarts aus 22.
24 zeigt: Eingriffe des Motorsteuergeräts während der drei Phasen Anschleppen, Hochlauf und Einregeln der Leerlaufdrehzahl in Reaktion auf die HiL – Simulation des Kaltstarts.

Claims

Regelungsverfahren eines zu regelnden Fluidstromes einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, wobei zumindest ein erster Parameter des Fluidstromes, welcher sich bei Betrieb des Kraftfahrzeuges bei wechselnden Belastungssituationen ändert, ein dynamisches Verhalten aufweist, wobei ein für das dynamische Verhalten des ersten Parameters charakteristischer Wert ermittelt wird, mittels dem ein genaueres Regeln ermöglicht wird gegenüber einem Regeln mittels einer Bestimmung eines Mittelwertes des charakteristischen Wertes über einen beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine charakteristischen Zeitraum.
Regelungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spektralanalyse eines Schwingungsverhaltens eines zumindest mit dem Fluidstrom gekoppelten zweiten Parameters zur Ermittlung des charakteristischen Wertes durchgeführt wird.
Regelungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Klirrfaktor ermittelt wird, der das dynamische Verhalten des ersten Parameters wiedergibt.
Regelungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Standardabeichung ermittelt wird, die das dynamische Verhalten des ersten Parameters wiedergibt.
Regelungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Grundwelle eines Schwingungsverhaltens ermittelt wird, mittels der auf das dynamische Verhalten des ersten Parameters geschlossen wird.
Regelungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Oberwelle eines Schwingungsverhaltens ermittelt wird, mittels der auf das dynamische Verhalten des ersten Parameters geschlossen wird.
Regelungsverfahren nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundwelle und zumindest eine Oberwelle miteinander gekoppelt werden und mit tels der daraus gewonnenen Beziehung auf das dynamische Verhalten des ersten Parameters geschlossen wird.
Regelungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein modellbasierter Regler zur Umsetzung des Regelungsverhaltens genutzt wird.
Regelungsverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der modelbasierte Regler mittels eines neuronalen Netz zumindest eine Datenbasis ermittelt, die zur Regelung des dynamischen Verhaltens eingesetzt wird.
Regelungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es bei einer modelbasierten Simulation zur Verkürzung einer Applikationszeit der Verbrennungskraftmaschine für das Kraftfahrzeug eingesetzt wird.
Verbrennungskraftmaschine, die mit zumindest einem Steuergerät eines Kraftfahrzeugs gekoppelt ist, wobei die Verbrennungskraftmaschine zumindest einen dynamisch sich ändernden Fluidstrom aufweist und das Steuergerät in der Lage ist, den Fluidstrom gezielt zu beeinflussen, wobei zumindest ein Messwertaufnehmer zur Ermittlung eines ersten Parameters des Fluidstroms in Verbindung mit dem Steuergerät steht und eine Auswerteeinheit vorhanden ist, die eine Signalerzeugung aufweist, die mittels des ersten Parameters ein eine Dynamik des Fluidstroms wiedergebendes Signal generiert, und die Auswerteeinheit mit einer Stellvorrichtung zur Beeinflussung des Fluidstroms gekoppelt ist.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät in einem Motorsteuergerät implementiert ist.
Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit vorsieht, mittels der Signalerzeugung zumindest eine Standardabweichung zu ermitteln.
Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit vorsieht, mittels der Signalerzeugung zumindest einen Klirrfaktor zu ermitteln.
Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit eine Fourier-Transformation implementiert aufweist.
Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät mit einem neuronalen Netz zumindest gekoppelt ist.