DE102005026441B4

DE102005026441B4 - Verfahren zur Adaption des Vorsteuerkennfeldes einer volumenstromgeregelten Diesel-Common-Rail Pumpe

Info

Publication number: DE102005026441B4
Application number: DE200510026441
Authority: DE
Inventors: Fredrik Dr. Borchsenius
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2005-06-08
Filing date: 2005-06-08
Publication date: 2009-11-12
Anticipated expiration: 2025-06-09
Also published as: FR2886979A1; CN101283192A; DE102005026441A1

Abstract

Verfahren zur Adaption eines Vorsteuerkennfeldes einer volumenstromgeregelten Pumpe einer Brennkraftmaschine mit folgenden Schritten:
a) eine Motor-Steuergerätesoftware mit Funktionalitäten zur Vorsteuerung (116) eines Volumenstromregelventils (VCV) der volumenstromgeregelten Pumpe wird zur Verfügung gestellt;
b) die Motor-Steuergerätesoftware wird in ein Motorsteuerungsgerät der Brennkraftmaschine geladen;
c) es wird ein Regressionsmodell (400) eines Vorsteuerkennfeldes des Volumenstromregelventils erzeugt, wobei in dem Vorsteuerkennfeld die Position des Volumenstromregelventils (VCV) eine Funktion von Kraftstoff-Einspritzmenge und Motor-Drehzahl der Brennkraftmaschine ist;
d) das Regressionsmodell (400) wird mit mindestens neun anzupassenden Regressionsparametern gebildet;
e) es werden mindestens neun geeignete Anfangswerte (200) für die Regressionsparameter des Regressionsmodells (400) ausgewählt;
f) mindestens neun Wertepaare (202) jeweils für Kraftstoff-Einspritzmengen- und Motor-Drehzahlwerte werden ausgewählt;
g) mit den ausgewählten mindestens neun Anfangswerten (200) für die Regressionsparameter und den mindestens neun Wertepaaren (202) jeweils für Kraftstoff-Einspritzmenge und Motor-Drehzahl werden neun Punkte (204) des Modells (400) des VCV-Vorsteuerkennfeldes berechnet;
h) es...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Adaption eines Vorsteuerkennfeldes einer volumenstromgeregelten Diesel-Common-Rail-Pumpe eines Diesel-Motors mit Hilfe eines einfachen Algorithmus.
Bei modernen Kraftstoff-Einspritzsystemen für Diesel-Motoren, die unter dem Namen „Common-Rail” (= „gemeinsame Leitung”) bekannt sind, wird mittels einer Hochdruckpumpe (Common-Rail-Pumpe) ein bestimmter erforderlicher Systemdruck, d. h. Kraftstoffdruck im Hochdruckspeicher des Diesel-Motors, für alle Zylinder gemeinsam (”common”) aufgebaut. Dabei soll der erforderliche Druck im Hochdruckspeicher permanent zur Verfügung stehen. Der Wert des erforderlichen Druckes wird durch die konkrete Fahrsituation bestimmt.
Dieser geregelte Kraftstoffdruck wird vom Motorsteuerungsgerät über einen Drucksensor und einen Druckregler aufgebaut. Die Einstellung des Systemdruckes erfolgt dabei über ein Volumenstromregelventil (VCV), welches mit einem PI-Regler (Proportional-Integral-Regler) oder PID-Regler (Proportional-Integral-Differential-Regler) kombiniert ist. Aus Stabilitätsgründen des Regelkreises ist die Regelgeschwindigkeit jedoch begrenzt.
Um die Regelgeschwindigkeit zu erhöhen, wird der Regler mit einer Vorsteuerung kombiniert. Um eine optimale Vorsteuerung zu erreichen, muss diese individuell für jeden Motortyp und bei Veränderungen am Motor angepasst werden, was in der Praxis einen hohen Aufwand erfordert.
Die Offenlegungsschrift DE 10 2004 009 616 A1 offenbart beispielsweise ein Verfahren zur Steuerung des lastpunktabhängigen Volumenstromes in einem Kraftstoff-Einspritzsystem bei dem zur Bestimmung der Ventilstellung des Volumenstromregelventils zusätzlich zum Vorsteuerkennfeld eine zweidimensionales Adaptions-Kennfeld verwendet wird. Bei diesem Verfahren werden die Adaptionswerte in Abhängigkeit von zwei Betriebsparametern der Brennkraftmaschine vorgegeben. Dabei ist vorgesehen, dass die Adaptionswerte für die einzelnen Lastpunkte kontinuierlich an die Gegebenheiten des Einspritzsystems angepasst (kalibriert) werden.
Die Offenlegungsschrift DE 44 18 731 A1 offenbart ein Verfahren zur Steuerung/Regelung von Prozessen in einem Kraftfahrzeug bei dem ein Kennfeld verwendet wird. Das Kennfeld wird dabei automatisch an ein verändertes Prozessverhalten angepasst. Dazu wird ein Korrekturwert für eine bestimmte Betriebsphase ermittelt. Dieser Korrekturwert wird auf mehrere benachbarte Stützstellen des Kennfeldes verteilt. Hierdurch wird das Kennfeld gleich in einem größeren Bereich dem Sollwertfunktionsverlauf angepasst.
Weitere allgemein bekannte Verfahren für eine automatische Kennfeldbedatung (Modellgenerierung, Kalibration) sind beispielsweise Neuronale Netze oder Regressionsverfahren (linear oder nichtlinear) mit allgemeinen Ansatzfunktionen. Verbreitet ist auch das sog. LOLIMOT-Verfahren (Local linear model tree). Diese allgemeinen Verfahren sind jedoch in der Anwendung unerwünscht kompliziert.
Dieser Umstand erfordert die Suche nach einer Möglichkeit, die Vorsteuerung des Volumenstromregelventils (VCV) durch einen weniger komplizierten Adaptionsalgorithmus zu kalibrieren.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das eine Adaption eines Vorsteuerkennfeldes einer volumenstromgeregelten Diesel-Common-Rail-Pumpe an das reale Verhalten eines Diesel-Motors mit Hilfe eines einfachen Algorithmus ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die Erfindungen mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht.
Im Folgenden werden einzelne Verfahrensschritte näher beschrieben. Die Schritte müssen nicht notwendigerweise in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, und das zu schildernde Verfahren kann auch weitere, nicht genannte Schritte aufweisen.
Bei einem Kennfeld eines Volumenstromregelventils einer Common-Rail-Pumpe handelt es sich im Wesentlichen um ein 2-dimensionales Kennfeld der Stellung des Volumenstromregelventils (VCV), wobei die VCV-Stellung eine Funktion von Motor-Drehzahl und Kraftstoff-Einspritzmenge ist. Um den Algorithmus einfach zu gestalten, ist dabei eine physikalische Modellvorstellung integriert.
Abhängigkeiten der VCV-Stellung von Temperatur und Druck werden durch separate Funktionen berücksichtigt.
Es wurde ein einfacher Algorithmus entwickelt, der eine sukzessive Adaption eines Startkennfeldes (Anfangsmodell) der Vorsteuerung einer volumenstromgeregelten Common-Rail-Pumpe eines Diesel-Motors an das reale Kennfeld sicherstellt.
Zunächst wird eine Motor-Steuergerätesoftware mit Funktionalitäten zur Vorsteuerung eines Volumenstromregelventils (VCV) der volumenstromgeregelten Common-Rail-Pumpe zur Verfügung gestellt.
Die Motor-Steuergerätesoftware wird in ein Motorsteuerungsgerät des Diesel-Motors geladen und es wird ein Regressionsmodell eines Vorsteuerkennfeldes des Volumenstromregelventils erzeugt, wobei in dem Vorsteuerkennfeld die Position des Volumenstromregelventils (VCV) eine Funktion von Kraftstoff-Einspritzmenge und Motor-Drehzahl des Diesel-Motors ist. Dabei wird das Regressionsmodell mit mindestens neun anzupassenden Modellparametern (Regressionsparameter) gebildet.
In einem weiteren Schritt werden mindestens neun geeignete Anfangswerte für die Regressionsparameter des Regressionsmodells ausgewählt, um die neun Regressionsparameter eindeutig zu bestimmen.
Weiterhin werden mindestens neun Wertepaare jeweils für Kraftstoff-Einspritzmengen- und Motor-Drehzahlwerte ausgewählt.
In einem nächsten Schritt werden mit den ausgewählten mindestens neun Anfangswerten für die Regressionsparameter und mit den ausgewählten mindestens neun Wertepaaren jeweils für Kraftstoff-Einspritzmenge und Motor-Drehzahl neun Punkte des Modells des VCV-Vorsteuerkennfeldes berechnet.
In einem weiteren Schritt wird ein auf der Basis von Messungen ermittelter Punkt (Messwert) des VCV-Vorsteuerkennfeldes für den Vergleich zwischen Modell und realem Verhalten des Motors gewonnen.
Auf der Basis der erhaltenen mindestens zehn Punkte des VCV-Vorsteuerkennfeldes werden neue Werte für die neun Modellparameter berechnet.
Als nächster Schritt wird mit den neu berechneten Werten der neun Regressionsparameter ein neues Vorsteuerkennfeld modelliert und zur Vorsteuerung verwendet.
Die Verfahrensschritte, beginnend mit dem Ermitteln und Hinzufügen eines Messpunktes, werden wiederholt, wodurch das Modell sukzessive an das reale Verhalten der Regelung des Volumenstromregelventils angepasst wird.
In einer vorteilhaften Ausführung kann die beschriebene automatische Adaption des Vorsteuerkennfeldes einer volumenstromgeregelten Common-Rail-Pumpe online im Fahrzeug durchgeführt werden, z. B. unter Einsatz eines Notebook-Computers, auf dem Teile der Berechnungen erfolgen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Verfahren in die Steuerungssoftware eines Motorsteuerungsgerätes integriert werden, sodass es automatisch im Motorsteuerungsgerät abläuft.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn der Messwert frei wählbar gewichtet wird als jeder einzelne der neun berechneten Punkte des Modells des VCV-Vorsteuerkennfeldes. Die Gewichtung des Messwertes bei der Adaption des Modells an das reale Kennfeld kann durch einen Multiplikationsfaktor erfolgen. Dadurch kann die Konvergenzgeschwindigkeit des Adaptionsvorganges erhöht werden oder auch die Stabilität des Algorithmus verbessert werden.
Als Regressionsmodell kann für das beschriebene Verfahren eine quadratische Form gewählt werden.
Vorteilhafterweise wird bei dem Verfahren mit Hilfe eines D-optimalen Versuchsplanes eine vorgegebene Mindestanzahl charakteristischer Punkte (Stützstellen) des Regressionsmodells ausgewählt.
Ferner wird die Aufgabe durch ein Computerprogramm gelöst, das bei Ablauf auf einem Mikrocontroller oder Computer oder auf einer Mehrzahl von Computern eines Computer-Netzwerks oder auf einer Mehrzahl von Mikrocontrollern eines Mikrocontroller-Netzwerks das erfindungsgemäße Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen ausführt.
Weiterhin wird die Aufgabe durch ein Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln gelöst, um das erfindungsgemäße Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen durchzuführen, wenn das Programm auf einem Mikrocontroller oder Computer oder auf einer Mehrzahl von Computern eines Computer-Netzwerks oder auf einer Mehrzahl von Mikrocontrollern eines Mikrocontroller-Netzwerks ausgeführt wird. Insbesondere können die Programmcode-Mittel auf einem computerlesbaren Datenträger gespeicherte Instruktionen sein.
Außerdem wird die Aufgabe durch einen Datenträger gelöst, auf dem eine Datenstruktur gespeichert ist, die nach einem Laden in einen Arbeits- und/oder Hauptspeicher eines Mikrocontrollers oder eines Computers oder einer Mehrzahl von Computern eines Computer-Netzwerks oder einer Mehrzahl von Mikrocontrollern eines Mikrocontroller-Netzwerks das erfindungsgemäße Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen ausführen kann.
Auch wird die Aufgabe durch ein Computerprogramm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode-Mitteln gelöst, um das erfindungsgemäße Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen durchzuführen, wenn das Programm auf einem Mikrocontroller, Computer, auf einer Mehrzahl von Computern eines Computer-Netzwerks oder auf einer Mehrzahl von Mikrocontrollern eines Mikrocontroller-Netzwerks ausgeführt wird.
Dabei wird unter einem Computer-Programmprodukt das Programm als handelbares Produkt verstanden. Es kann grundsätzlich in beliebiger Form vorliegen, so zum Beispiel auf Papier oder auf einem computerlesbaren Datenträger und kann insbesondere über ein Datenübertragungsnetz verteilt werden.
Schließlich wird die Aufgabe durch ein moduliertes Datensignal gelöst, welches von einem Mikrocontroller, Computer, von einer Mehrzahl von Computern eines Computer-Netzwerks oder von einer Mehrzahl von Mikrocontrollern eines Mikrocontroller-Netzwerks ausführbare Instruktionen zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer seiner Ausgestaltungen enthält.
Ferner wird die Aufgabe durch eine Anordnung zur Adaption eines Vorsteuerkennfeldes einer volumenstromgeregelten Common-Rail-Pumpe eines Diesel-Motors gelöst.
Dazu ist eine Steuergerätesoftware mit Funktionalitäten zur Vorsteuerung eines Volumenstromregelventils (VCV) der volu menstromgeregelten Diesel-Common-Rail-Pumpe in ein Motorsteuerungsgerät des Diesel-Motors geladen.
Auch ist die Anordnung mit Mitteln ausgestattet, ein Regressionsmodell eines Vorsteuerkennfeldes des Volumenstromregelventils zu erzeugen, wobei in dem Vorsteuerkennfeld die Position des Volumenstromregelventils (VCV) eine Funktion von Kraftstoff-Einspritzmenge und Motor-Drehzahl des Diesel-Motors ist.
Weiterhin besitzt die Anordnung die Mittel, das Regressionsmodell mit mindestens neun anzupassenden Regressionsparametern zu bilden.
Ferner hat die Anordnung die Mittel, mindestens neun geeignete Anfangswerte für die Regressionsparameter des Regressionsmodells auszuwählen.
Die Anordnung ist auch mit Mitteln ausgestattet, mindestens neun Wertepaare jeweils für Kraftstoff-Einspritzmengen- und Motor-Drehzahlwerte auszuwählen.
Vorhanden sind in der Anordnung auch die Mittel, mit den ausgewählten mindestens neun Anfangswerten für die Regressionsparameter und den mindestens neun Wertepaaren jeweils für Kraftstoff-Einspritzmenge und Motor-Drehzahl neun Punkte des Modells des VCV-Vorsteuerkennfeldes zu berechnen.
Die Anordnung besitzt auch die Mittel, einen auf der Basis von Messungen ermittelten Punkt (Messwert) des VCV-Vorsteuerkennfeldes für den Vergleich zwischen Modell und realem Verhalten des Motors zu gewinnen. Der Messwert ist ein dreidimensionaler Vektor mit den Komponenten Motor-Drehzahl (n), Kraftstoff-Einspritzmenge (mf) und der gemessenen, eingeregelten Stellung des VCV.
Es sind auch die Mittel vorhanden, die auf der Basis der erhaltenen mindestens zehn Punkte des VCV-Vorsteuerkennfeldes neue Werte für die mindestens neun Regressionsparameter des Modells berechnen.
Ebenfalls sind in der Anordnung die Mittel vorhanden, die auf der Basis der neu berechneten Werte der neun Regressionsparameter ein neues Vorsteuerkennfeld modellieren und zur Vorsteuerung verwendet werden.
Wie in der Einleitung beschrieben, ist das Volumenstromregelventil (VCV) zum Einstellen eines Sollwertes für den Systemdruck (Kraftstoffdruck im Hochdruckspeicher des Motorsystems) mit einem PI-Regler oder PID-Regler gekoppelt. Bei hochdynamischen Änderungen des Betriebszustandes des Motorsystems treten zunächst Abweichungen des Systemdruckes vom Sollwert auf, die erst allmählich durch den Regler kompensiert werden können.
Aus Stabilitätsgründen des Regelkreises ist die Regelgeschwindigkeit jedoch begrenzt. Um die zunächst vorhandenen Sollwertabweichungen des Systemdruckes zu minimieren, ist es vorteilhaft, wenn der Regler mit einer möglichst genauen Vorsteuerung kombiniert wird.
Der Zweck der Vorsteuerung ist es, bereits beim Start des Systems bzw. bei dynamischen Änderungen des Betriebszustandes einen möglichst annähernden Gleichgewichtszustand des Regelkreises zu erreichen. Bei der Steuerung von dynamischen Systemen ist es zweckmäßig, einen aus zwei Komponenten bestehenden Regelkreis zu schaffen.
Diese zwei Komponenten sind eine Vorsteuerung und ein Regler zum Kompensieren der Abweichungen der Vorsteuerungswerte. Bei den o. g. veränderlichen System-Rahmenbedingungen kann eine genaue Kalibration der Vorsteuerung nicht im Voraus realisiert werden. Demzufolge wird ein Schwankungsrahmen defi niert, auf dessen Grundlage die Steuergröße am Ausgang der Vorsteuerung in Abhängigkeit vom Fahrerwunsch (Stellung des Fahrpedals) voreingestellt wird.
Effektiver ist die Anwendung eines adaptiven Verfahrens, um auf der Grundlage von realen Messwerten die Einstellwerte (Kennfeld) für die Vorsteuerung möglichst genau zu ermitteln.
Für das vorgeschlagene Verfahren wurde vorteilhafterweise ein einfacher Algorithmus entwickelt, der es ermöglicht, eine sukzessive Adaption eines Startkennfeldes (Anfangsmodell) an das reale Kennfeld der Vorsteuerung eines Volumenstromregelventils zu realisieren.
Dabei bietet der Einsatz des vorgeschlagenen einfachen Algorithmus zur zielgerichteten Adaption eines Regressionsmodells an das reale Kennfeld der Vorsteuerung eines Volumenstromregelventils in vorteilhafter Weise die Möglichkeit, auf automatischem Wege optimale Einstellungen des Kennfeldes der Vorsteuerung in einem definierten Bereich zu finden. Im Ergebnis des Adaptionsverfahrens sind die gefundenen Parameter in idealer Nähe zu den bei einem Messverfahren ermittelten Werten des Kennfeldes angeordnet.
Vorteilhaft ist, dass die gefundenen Lösungen qualitativ hochwertige Eigenschaften der optimierten Steuerfunktionen bewirken und das Verfahren so angelegt ist, dass das Adaptionsverfahren online im Fahrzeug ausgeführt werden kann.
Um den verwendeten Algorithmus einfach zu gestalten, ist in ihn eine physikalische Modellvorstellung integriert. Ausgehend davon, dass das Kennfeld der Vorsteuerung eines Volumenstromregelventils die Form einer Fläche darstellt, kann das zugrunde liegende Regressionsmodell in der folgenden quadratischen Form dargestellt werden: VCV(MF, N) = m →T·A·n →, mit
In der dargestellten mathematischen Form des verwendeten Regressionsmodells sind:

VCV: der Funktionswert für die Stellung des Volumenstromregelventils,
MF: der Mengenwert für die Kraftstoff-Einspritzmenge,
N: die Drehzahl des Diesel-Motors.

Die zu ermittelnden Regressionsparameter der Modellmatrix A sind dabei:
Die Struktur dieses dargestellten Regressionsmodells ist hierbei durch die Form von gemessenen Kennfeldern der Vorsteuerung eines Volumenstromregelventils begründet. Gemessene VCV-Kennfelder sind durch eine typische Flächenform charakterisiert. Vergleiche von gemessenen Kennfeldern mit nach dem vorgeschlagenen Verfahren adaptierten Modell-Kennfeldern zeigen, dass der Modellfehler im Vergleich zu Messwerten sehr gering ist.
Mit dem oben beschriebenen Regressionsmodell erfolgt schrittweise die Modellanpassung (Adaption) durch Lösen des entsprechenden linearen Gleichungssystems.
Es empfiehlt sich, dass zur Auswahl der Wertepaare bzw. Punkte ein D-optimaler Versuchsplan zur Anwendung kommt. Ein D-optimaler Versuchsplan sucht aus der Menge aller theoretisch möglichen Einzelexperimente iterativ diejenigen heraus, die zu einer maximalen Genauigkeit der Schätzung der Werte der Regressionsparameter führen. Auf dieser Grundlage werden mindestens neun Punkte so ausgewählt, dass sie eine möglichst genaue Bestimmung der neun Regressionsparameter (a11 bis a33) zulassen. Ein D-optimaler Versuchsplan wird durch Maximieren der so genannten Fischer'schen Informationsmatrix bestimmt. Dies kann im Allgemeinen nur durch numerische Optimierungsverfahren erreicht werden und wird nur vorab durchgeführt.
Die Festlegung der Anfangswerte für die Regressionsparameter erfolgt dabei willkürlich oder auf der Grundlage einer bereits existierenden Kalibration, z. B. ausgehend von der aktuellsten Look-Up-Table, die im Motorsteuerungsgerät gespeichert ist, oder ausgehend von der letzten Motorgeneration.
Die Kraftstoff-Einspritzmengenwerte sowie die Drehzahlwerte für das Anfangs-Modell werden dabei innerhalb eines vorgegebenen Wertebereiches ausgewählt. Mit Hilfe der oben dargestellten Funktion werden die Werte für die Stellung des Volumenstromregelventils berechnet. Jede Wertekombinationen aus VCV-Stellung, Motor-Drehzahl und Kraftstoff-Einspritzmenge definiert einen Punkt (Stützstelle) für das Modell des Kennfeldes der Vorsteuerung des Volumenstromregelventils. Die Lage jedes der mindestens neun Punkte des VCV-Kennfeldes wird jeweils durch einen Wert für die Kraftstoff-Einspritzmenge, einen Wert für die Drehzahl und einen dazugehörigen Funktionswert für eine jeweilige VCV-Position bestimmt.
Zu den ausgewählten neun Punkten des entwickelten Modells wird ein weiterer Punkt des Kennfeldes auf der Basis von Messwerten ermittelt. Der Messwert repräsentiert dabei den Wert für ein konkretes Ergebnis der Regelung. Dieser Punkt wird zu den bereits definierten neun Punkten des modellierten Kennfeldes hinzugefügt. Unter Einbeziehung dieses Messwertes werden in einem Rechner neun neue Werte für die Regressionsparameter errechnet und auf deren Basis ein neues adaptiertes Regressionsmodell ermittelt.
Dabei wird als Maß für die Genauigkeit der Adaption des Modells an den Messwert bzw. die Richtigkeit der Wahl der Regressionsparameter das Optimierungsprinzip der „kleinsten Fehlerquadrate”, benutzt. Dafür wird folgender Ausdruck verwendet.
Hierbei ist n – die Anzahl der Messpunkte und der neun ausgwählten Modellpunkte und e_i – die Abweichung des Istwertes der Regelgröße vom Sollwert für die i-te Messung.
Für das neu ermittelte Regressionsmodell werden wiederum mindestens neun Punkte berechnet, nämlich die Funktionswerte des Modells an den vorab definierten mindestens neun Punkten.
Vorteilhaft ist, dass der Messwert höher gewichtet wird als jeder einzelne der neun berechneten Punkte des Modells des VCV-Vorsteuerkennfeldes. Eine unterschiedliche Gewichtung des Messwertes (Kraftstoff-Einspritzmenge und Motor-Drehzahl) kann durch einen Multiplikationsfaktor erreicht werden. Diese Alternative ermöglicht es, die Konvergenzgeschwindigkeit und die Stabilität des Adaptionsverfahrens zu beeinflussen.
Die Ermittlung jedes Messwertes und der anschließend folgende Adaptionsvorgang werden auf der Basis unterschiedlicher Zeitskalierungen durchgeführt. Das bedeutet beispielsweise, dass nach dem Start des Systems die zeitliche Abfolge der Messungen vorzugsweise kürzer sein kann und im weiteren Verlauf der zeitliche Abstand zwischen den Messungen vergrößert wird.
Die Schritte zur Adaption des Regressionsmodells an das reale Vorsteuerkennfeld werden automatisch auf der Basis der mit unterschiedlichen Zeitskalierungen ermittelten Messwerte ständig wiederholt, wobei die Abweichung des Modells vom realen Kennfeld immer geringer wird.
Die im Ergebnis der Adaption des Modells berechneten Daten für das Kennfeld der VCV-Vorsteuerung werden als Look-Up-Table in das Motorsteuerungsgerät übertragen. Vorzugsweise wird eine gängige 8×8-Look-Up-Table berechnet und übertragen. Damit ist eine Auflösung von 8 Werten auf den Achsen für die Drehzahl und die Einspritzmenge gegeben. Zwischenwerte werden durch lineare Interpolation berechnet.
In einer anderen vorteilhaften Ausführung können die ermittelten Regressionsparameter in das Motorsteuerungsgerät implementiert werden, wo sie zur Berechnung der Vorsteuerung verwendet werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist vorgesehen, die Software für das Verfahren in die Steuergerätesoftware zu integrieren und in ein Motorsteuerungsgerät zu laden. Dadurch wird die Ausführung des Adaptionsverfahrens ohne Verwendung eines externen Rechners ermöglicht und das gesamte Verfahren läuft online komplett im Motorsteuerungsgerät ab.
In einer vorteilhaften Ausführung kann die automatische Adaption auch so lange ausgeführt werden, bis ein vorgegebenes Abbruchkriterium erreicht ist. Ein solches Abbruchkriterium kann beispielsweise eine vorgegebene maximale Anzahl von Messwerten sein oder auch das Erreichen eines Konvergenzergebnisses unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwertes.
Der für das beschriebene Verfahren entwickelte Algorithmus ermöglicht in vorteilhafter Weise eine automatische Durchführung der Adaption des Modell-Kennfeldes an das reale Kennfeld der Vorsteuerung eines Volumenstromregelventils.
Dabei ist hervor zu heben, dass durch die Anzahl von nur mindestens neun Punkten für die Beschreibung des Kennfeldes der Datenspeicherbedarf gering ist. Außerdem ist es vorteilhaft, dass die Mathematik, die dem Verfahren zugrunde liegt, in einer Motorsteuerung einfach umsetzbar ist.
Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Möglichkeiten, die Aufgabe zu lösen, sind nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt.
Die Ausführungsbeispiele sind in den Figuren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente. Im Einzelnen zeigt:
1 eine schematische Darstellung des Regelkreises mit Vorsteuerung;
2 ein Ablaufplan der automatischen Adaption des Vorsteuerkennfeldes einer volumenstromgeregelten Diesel-Common-Rail-Pumpe;
3 den Vergleich eines adaptierten Regressionsmodells mit einem gemessenen Kennfeld;
4 die Darstellung der schrittweisen Adaption eines Vorsteuerkennfeldes;
4A ein falsch kalibriertes Startkennfeld;
4B ein teiladaptiertes Kennfeld;
4C ein adaptiertes Kennfeld; und
5 die schematische Darstellung einer Anordnung zur automatischen Adaption des Vorsteuerkennfeldes.
1 zeigt ein vereinfachtes Schema eines Regelkreises mit Vorsteuerung entsprechend dem Stand der Technik. Die Systemanforderungen in Bezug auf Druck und Einspritzmenge werden abhängig vom Fahrerwunsch durch die Stellung des Fahrpedals 100 und der Motordrehzahl 120 über die Verbindungen 102, 104 und 105 in das Motorsteuerungsgerät übertragen. Das Motorsteuerungsgerät erzeugt auf der Grundlage der Anforderungen von Fahrpedal 100 und Motordrehzahl 120 den entsprechenden Sollwert 106 des Systemdruckes und den erforderlichen Wert für die entsprechende Kraftstoff-Einspritzmenge 108. Über die Verbindung 110 wird der Sollwert des Systemdruckes (Regelgröße) zu einem Komparator (Vergleicher) 112 übertragen. Gleichzeitig gelangen die Daten für die Kraftstoff-Einspritzmenge 108 über die Verbindung 114 zur Vorsteuerung 116. Parallel dazu erhält die Vorsteuerung 116 über die Verbindung 118 den Wert der momentanen Drehzahl 120. Auf der Grundlage der erhaltenen Eingangswerte erzeugt die Vorsteuerung 116 an ihrem Ausgang eine entsprechende Steuergröße, die über die Verbindung 122 zur Stelleinrichtung 124 übertragen wird.
Parallel dazu wird der Sollwert 106 des Systemdruckes im Komparator 112 mit dem Istwert 138 des Systemdruckes verglichen, der über die Verbindung 140 zum Komparator gelangt. Die am Ausgang des Komparators 112 definierte Sollwertabweichung wird über die Verbindung 126 zum Regler 128 übertragen. Auf der Basis der am Eingang des Reglers registrierten Sollwertabweichung erzeugt dieser an seinem Ausgang ebenfalls eine Steuergröße, die über die Verbindung 130 zur Stelleinrichtung 124 gelangt.
In der Stelleinrichtung 124 werden die Steuergrößen von Vorsteuerung und Regler addiert. Dabei stellen die Steuergrößen am Ausgang der Vorsteuerung 116 und des Reglers 128 einen konkreten Wert eines pulsweitenmodulierten Signals (PWM-Signals) zur Steuerung der Stelleinrichtung 124 dar. Am Ausgang der Stelleinrichtung 124 wird ein daraus resultierender Wert der Stellgröße für die Einstellung der Position des Volumenstromregelventils erzeugt, der über die Verbindung 134 an die Regelstrecke 136 zur konkreten Einstellung der Position des Volumenstromregelventils übertragen wird. Die Regelgröße 138 (Systemdruck) wird von den entsprechenden Sensoren über die Verbindung 140 erneut zum Komparator 112 übertragen und dort wiederum mit dem Sollwert 106 verglichen und der beschriebene Regelvorgang wird erneut ausgeführt.
Im dargestellten Beispiel bewirkt der Regler 128 somit praktisch nur noch die Kompensation der vorhandenen Sollwertabweichung, die aus den Vorsteuerungswerten resultiert. Mit diesem Prinzip wird erreicht, dass bei dynamischen Änderungen des Betriebszustandes durch eine optimale Vorsteuerung schneller der Gleichgewichtszustand des Regelkreises hergestellt wird. Daraus resultiert, dass eine gute Vorsteuerung 116 ein wesentlicher Faktor für ein günstiges Nachstellverhalten des Regelkreises ist.
2 stellt das Ablaufplan eines bevorzugten Ausführungsbeispiel der automatischen Adaption eines Vorsteuerkennfeldes einer volumenstromgeregelten Diesel-Common-Rail-Pumpe dar.
Zunächst werden in Schritt 200 mindestens neun Anfangswerte für die Regressionsparameter erzeugt. In Schritt 202 werden mindestens neun geeignete Anfangswerte für die Kraftstoff-Einspritzmenge und die Drehzahl ausgewählt. Diese Anfangswerte werden durch eine vorgegebene Toleranzgrenze beschränkt. Weiterhin erfolgt in Schritt 204 auf der Grundlage der ausgewählten Regressionsparameter und der Werte für Kraftstoff-Einspritzmenge und die Drehzahl die Berechnung entsprechenden VCV-Positionen. Danach wird in Schritt 206 ein gemessener Wert hinzugefügt. Es erfolgt in Schritt 210 die Berechnung von neun neuen, in Bezug auf den hinzugefügten Messwert adaptierten, Regressionsparametern a11 bis a33. Mit diesen neuen Werten der Regressionsparameter wird gearbeitet (Schritt 212), z. B. werden auf der Grundlage der vorhandenen Informationen über die ausgewählten Werte für die Motor-Drehzahl und die Kraftstoff-Einspritzmenge neun VCV-Stellungen errechnet, die jeweils zusammen mit den ausgewählten Werten für Motor-Drehzahl und die Kraftstoff-Einspritzmenge für einen charakteristischen Punkt (Stützstelle) im adaptierten Kennfeld der Vorsteuerung des Volumenstromregelventils stehen.
Erfolgt die Optimierung ohne Abbruchkriterium (Schritt 214), dann wird nach dem Schritt 212 der Optimierungsvorgang ab Schritt 206 wiederholt und wiederum ein weiterer Punkt (Messwert) ermittelt, wobei sich mit jeder Iteration das modellierte Kennfeld an das reale Kennfeld annähert. Erfolgt die Optimierung mit Abbruchkriterium (Schritt 214), dann wird das Abbruchkriterium geprüft. Ist das Abbruchkriterium erfüllt (Schritt 218), dann ist die Optimierung des Vorsteuerungskennfeldes beendet (Schritt 220). Ist das Abbruchkriterium noch nicht erfüllt (Schritt 218), dann wird die Optimierung mit Schritt 206 fortgesetzt, bis das Abbruchkriterium erfüllt ist.
In 3 ist der Vergleich eines durch die Adaption eines Regressionsmodells erzeugten Kennfeldes 300 mit einem gemessenen Kennfeld dargestellt. Dabei ist die Stellung des Volumenstromregelventils als Funktion von Kraftstoff-Einspritzmenge (MF) und Drehzahl (N) dargestellt: VCV = VCV(N, MF).
Die x-Achse sowie die y-Achse des Koordinatensystems enthalten die Variablen Kraftstoff-Einspritzmenge MF (Skalierung in mg) bzw. Motor-Drehzahl n (Skalierung in 1/min) des Kennfeldes. Die z-Achse enthält die Informationen über die Stellung des Volumenstromregelventils. Die Skalierung der z-Achse beruht auf der Angabe des für die Steuerung der Stellung des Volumenstromregelventils erforderlichen pulsweitenmodulierten Signals (PWM-Signal), wobei die Werteangabe in % erfolgt.
Die Darstellung zeigt das optimierte Modell des Kennfeldes der Vorsteuerung, welches die typische Flächenform aufweist. In der Grafik sind ergänzend eine Anzahl von Messpunkten dargestellt, die reale Verhalten der Vorsteuerung widerspiegeln. Die Lage der Messpunkte zeigt deutlich, dass zwischen dem modellierten Kennfeld und den real gemessenen Werten eine hohe Übereinstimmung zu verzeichnen ist. Daraus resultiert die Schlussfolgerung, dass das verwendete Modell auf Grund des sehr geringen Modellfehlers, bezogen auf die Messwerte, für das beschriebene Verfahren sehr gut geeignet ist.
4 zeigt die Darstellung der schrittweisen Adaption eines Vorsteuerkennfeldes im Verlaufe des Optimierungsverfahrens. Dabei ist, wie bereits in 3, die Stellung des Volumenstromregelventils als Funktion von Kraftstoff-Einspritzmenge (MF) und Motor-Drehzahl (N) dargestellt.
Dabei ist in 4A zunächst ein falsch kalibriertes Kennfeld 400 dargestellt. Die Anfangswerte wurden willkürlich ausgewählt. Es ist deutlich die Abweichung des Kennfeldes 400 von der typischen Form eines Vorsteuer-Kennfeldes zu erkennen. Das zeigt sich beispielsweise durch die starke Wölbung der Fläche in der Mitte.
In 4B wird die Form eines teiladaptierten Kennfeldes 402 nach mehreren Iterationen gezeigt. Die Darstellung lässt schon deutlich die Veränderung des teiladaptierten Kennfeldes 402 in Richtung der typischen Flächenform erkennen.
Schließlich zeigt 4C ein adaptiertes Kennfeld 404 nach Erreichen der Konvergenz. Das dargestellte adaptierte Kennfeld 404 weist deutlich die typische Form auf, die im Verlaufe einer Optimierung erreicht werden soll.
5 zeigt die schematische Darstellung einer Anordnung zur automatischen Adaption des Vorsteuerkennfeldes einer volumenstromgeregelten Common-Rail-Pumpe.
Die Anordnung besteht aus dem Steuergerät 500 mit den Funktionalitäten für die Regelung des Systemdruckes im Motor des Fahrzeuges und einem Rechner 502. In der Praxis wird als Rechner 502 vorzugsweise ein Laptop eingesetzt. In den Rechner 502 ist die Applikationssoftware 504 geladen, in die der Algorithmus für die automatische Parametrierung als Matlab Skript implementiert ist. Der Rechner 502 ist mit dem Steuergerät 500 über eine Schnittstelle 506 des Typs Matlab Inca API und eine Kommunikationsschnittstelle 508 (CAN oder Ethernet) verbunden. Das Steuergerät 500 enthält die erforderlichen Elemente des Regelkreises zur Steuerung eines Volumenstromregelventils. Über die Schnittstellen 506 und 508 bzw. über die Verbindungen 510 und 512 erfolgt der Datenfluss (Messdaten) zum Rechner, der auf der Basis der in den Rechner geladenen Applikationssoftware die Informationen für die Abarbeitung des implementierten Optimierungsalgorithmus verarbeitet. Über die Verbindungen 514 und 516 bzw. die Schnittstellen 506 und 508 werden die berechneten Werte an das Motorsteuerungsgerät 500 übertragen und somit das Kennfeld der Vorsteuerung schrittweise optimiert. Der Optimierungsvorgang kann, wie bereits beschrieben, vorzugsweise online im Fahrzeug während der Fahrt durchgeführt werden.
Anzumerken ist, dass die vorliegende Erfindung nicht nur für Diesel betriebene Brennkraftmaschine geeignet ist. Die Erfindung lässt sich auch auf Benzin betriebene Brennkraftmaschinen anwenden.

Claims

Verfahren zur Adaption eines Vorsteuerkennfeldes einer volumenstromgeregelten Pumpe einer Brennkraftmaschine mit folgenden Schritten: a) eine Motor-Steuergerätesoftware mit Funktionalitäten zur Vorsteuerung (116) eines Volumenstromregelventils (VCV) der volumenstromgeregelten Pumpe wird zur Verfügung gestellt; b) die Motor-Steuergerätesoftware wird in ein Motorsteuerungsgerät der Brennkraftmaschine geladen; c) es wird ein Regressionsmodell (400) eines Vorsteuerkennfeldes des Volumenstromregelventils erzeugt, wobei in dem Vorsteuerkennfeld die Position des Volumenstromregelventils (VCV) eine Funktion von Kraftstoff-Einspritzmenge und Motor-Drehzahl der Brennkraftmaschine ist; d) das Regressionsmodell (400) wird mit mindestens neun anzupassenden Regressionsparametern gebildet; e) es werden mindestens neun geeignete Anfangswerte (200) für die Regressionsparameter des Regressionsmodells (400) ausgewählt; f) mindestens neun Wertepaare (202) jeweils für Kraftstoff-Einspritzmengen- und Motor-Drehzahlwerte werden ausgewählt; g) mit den ausgewählten mindestens neun Anfangswerten (200) für die Regressionsparameter und den mindestens neun Wertepaaren (202) jeweils für Kraftstoff-Einspritzmenge und Motor-Drehzahl werden neun Punkte (204) des Modells (400) des VCV-Vorsteuerkennfeldes berechnet; h) es wird ein auf der Basis von Messungen ermittelter Punkt (Messwert) (206) des VCV-Vorsteuerkennfeldes für den Vergleich zwischen Modell und realem Verhalten der Brennkraftmaschine gewonnen; i) auf der Basis der erhaltenen mindestens zehn Punkte des VCV-Vorsteuerkennfeldes werden neue Werte (210) für die mindestens neun Regressionsparameter des Modells berechnet; j) mit den neu berechneten Werten der neun Regressionsparameter wird ein neues Vorsteuerkennfeld (402) modelliert und zur Vorsteuerung verwendet (212); und k) die Verfahrensschritte f) bis j) werden wiederholt (206), wodurch das Modell (404) sukzessive an das reale Verhalten des Motors angepasst wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die automatische Adaption des Vorsteuerkennfeldes des Volumenstromregelventils online im Fahrzeug erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in die Steuerungssoftware des Motorsteuerungsgerätes integriert ist und automatisch im Motorsteuerungsgerät abläuft.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwert höher oder niedriger gewichtet wird als jeder einzelne der neun berechneten Punkte des Modells des VCV-Vorsteuerkennfeldes.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Regressionsmodell eine quadratische Form gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe eines D-optimalen Versuchsplanes eine vorgegebene Mindestanzahl charakteristischer Punkte (Stützstellen) des Regressionsmodells ausgewählt werden.
Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass es bei Ablauf auf einem Mikrocontroller, Computer oder auf einer Mehrzahl von Computern eines Computer-Netzwerks oder auf einer Mehrzahl von Mikrocontrollern eines Mikrocontroller-Netzwerks das Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche ausführt.
Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln gemäß den vorhergehenden Ansprüchen, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind.
Datenträger, auf dem eine Datenstruktur gespeichert ist, die nach einem Laden in einen Arbeits- und/oder Hauptspeicher eines Mikrocontrollers, eines Computers, einer Mehrzahl von Computern eines Computer-Netzwerks oder einer Mehrzahl von Mikrocontrollern eines Mikrocontroller-Netzwerks das Verfahren nach einem der Ansprüche 1–6 ausführt.
Vorrichtung zur Adaption eines Vorsteuerkennfeldes einer volumenstromgeregelten Pumpe einer Brennkraftmaschine: a) mit Mitteln, eine zur Verfügung gestellte Motor-Steuergerätesoftware mit Funktionalitäten zur Vorsteuerung (116) eines Volumenstromregelventils (VCV) der volumenstromgeregelten Pumpe in ein Motorsteuerungsgerät der Brennkraftmaschine zu laden und auszuführen; b) mit Mitteln, ein Regressionsmodell (400) eines Vorsteuerkennfeldes des Volumenstromregelventils zu er zeugen, wobei in dem Vorsteuerkennfeld die Position des Volumenstromregelventils (VCV) eine Funktion von Kraftstoff-Einspritzmenge und Motor-Drehzahl der Brennkraftmaschine ist; c) mit Mitteln, das Regressionsmodell mit mindestens neun anzupassenden Regressionsparametern zu bilden; d) mit Mitteln, mindestens neun geeignete Anfangswerte für die Regressionsparameter des Regressionsmodells auszuwählen; e) mit Mitteln, mindestens neun Wertepaare jeweils für Kraftstoff-Einspritzmengen- und Motor-Drehzahlwerte auszuwählen; f) mit Mitteln, mit den ausgewählten mindestens neun Anfangswerten für die Regressionsparameter und den mindestens neun Wertepaaren jeweils für Kraftstoff-Einspritzmenge und Motor-Drehzahl neun Punkte des Modells des VCV-Vorsteuerkennfeldes zu berechnen; g) mit Mitteln, einen auf der Basis von Messungen ermittelter Punkt (Messwert) des VCV-Vorsteuerkennfeldes für den Vergleich zwischen Modell und realem Verhalten des Motors zu gewinnen; h) mit Mitteln, auf der Basis der erhaltenen mindestens zehn Punkte des VCV-Vorsteuerkennfeldes neue Werte für die mindestens neun Regressionsparameter des Modells zu berechnen; und i) mit Mitteln, auf der Basis der neu berechneten Werte der neun Regressionsparameter ein neues Vorsteuerkennfeld zu modellieren und zur Vorsteuerung zu verwenden.