DE102006017568B4

DE102006017568B4 - Kalibrierung einer modellgestützten Kraftstoffsteuerung mit Kraftstoffdynamikkompensation für den Motorstart und für den Anlassen-zum-Lauf-Übergang

Info

Publication number: DE102006017568B4
Application number: DE102006017568A
Authority: DE
Inventors: Farmington Hills Qi Ma; Stephen Columbus Yurkovich; Kenneth P. Rochester Hills Dudek; Stephen K. Clovis Fulcher
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2005-05-04
Filing date: 2006-04-13
Publication date: 2008-01-31
Anticipated expiration: 2026-04-14
Also published as: US7204236B2; US20060249122A1; DE102006017568A1

Abstract

Kraftstoffsteuersystem zum Regulieren des Kraftstoffs zu den Zylindern einer Brennkraftmaschine während eines Motorstarts und eines Anlassen-zum-Lauf-Übergangs, wobei das Kraftstoffsteuersystem umfasst:
ein erstes Modul, das auf der Grundlage eines Modells des Bruchteils des genutzten Kraftstoffs (UFF-Modells) und eines Modells der Nennkraftstoffdynamik (NFD-Modells) eine Masse des unverbrannt eingespritzten Kraftstoffs bestimmt; und
ein zweites Modul, das die Kraftstoffversorgung zu einem Zylinder des Motors bis zu einem Verbrennungsereignis des Zylinders auf der Grundlage der Masse des unverbrannt eingespritzten Kraftstoffs reguliert;
wobei sowohl das UFF- als auch das NFD-Modell auf der Grundlage von Daten von mehreren Teststarts kalibriert wird, die auf einem vordefinierten Testplan beruhen.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Brennkraftmaschinen und insbesondere auf das Kalibrieren von Kraftstoffsteuerungsmodellen, die während eines Motorstarts und eines Anlassen-zum-Lauf-Übergangs den Kraftstoff zu einem Motor regulieren.
Die DE 100 20 448 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Optimierung des Betriebs eines Verbrennungsmotors, der mehrere Aktuatoren aufweist, die von einem Steuergerät in Abhängigkeit von Kennfeldern betätigt werden, welche Kennfelder für eine Vielzahl von Betriebspunkten des Verbrennungsmotors Stellgrößen für die Aktuatoren enthalten. Dabei werden für jeden Betriebspunkt für jeden Aktuator Einstellgrenzen für die Stellgrößen in eine Datenbank eingelesen. Für jeden Betriebspunkt wird für eine bestimmte Anzahl von Variationen der Stellgrößen der Verbrennungsmotor betrieben, wobei die Zielgrößen für den Motorbetrieb gemessen und in der Datenbank gespeichert werden. Mit den Variationen der Stellgrößen und den dazu ermittelten Zielgrößen wird ein die Abhängigkeit der Zielgrößen von den Stellgrößen beschreibendes physikalisches Motormodell kalibriert. Für jeden Betriebspunkt werden mit dem kalibrierten physikalischen Motormodell in Abhängigkeit von einstellbaren Kriterien für die Zielgrößen und innerhalb der Einstellgrenzen diejenigen Stellgrößen berechnet und in der Datenbank gespeichert, die für den jeweiligen Betriebspunkt die eingestellten Kriterien optimal erfüllen. Die Kennfelder des Steuergeräts werden in Abhängigkeit der berechneten optimalen Stellgrößen bedatet.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Brennkraftmaschinen verbrennen ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in Zylindern, die Kolben antreiben, um ein Antriebsdrehmoment zu erzeugen. Während des Motorstarts arbeitet der Motor in Übergangsbetriebsarten einschließlich Schlüssel ein, Anlassen, Anlassen zum Lauf und Lauf. Die Schlüssel-ein-Betriebsart beginnt den Startprozess, wobei der Motor während der Anlassen-Betriebsart angelassen (d. h. durch einen Anlasserelektromotor angetrieben) wird. Während der Motor mit Kraftstoff versorgt wird und das Anfangszündereignis auftritt, geht der Motorbetrieb in die Anlassen-zum-Lauf-Betriebsart über. Wenn schließlich alle Zylinder zünden und die Motordrehzahl über einem Schwellenpegel liegt, geht der Motor in die Lauf-Betriebsart über.
Die genaue Steuerung der Kraftstoffversorgung spielt eine wichtige Rolle beim Ermöglichen eines schnellen Motorstarts und einer verringerten Veränderung der Startzeit (d. h. der Zeit, die der Übergang in die Lauf-Be triebsart dauert) während des Übergangsmotorstarts. Herkömmliche Übergangskraftstoffsteuersysteme berücksichtigen nicht angemessen den verlorenen Kraftstoff und erfassen keine Fehlzündungen und mageren Start während der Übergangsphasen und verbessern sie nicht. Ferner sind herkömmliche Kraftstoffsteuersysteme nicht ausreichend robust und erfordern eine erhebliche Kalibrierungsanstrengung.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Dementsprechend schafft die vorliegende Erfindung ein Kraftstoffsteuersystem zum Regulieren des Kraftstoffs zu den Zylindern einer Brennkraftmaschine während eines Motorstarts und eines Anlassen-zum-Lauf-Übergangs. Das Kraftstoffsteuersystem umfasst ein erstes Modul, das auf der Grundlage eines Modells des Bruchteils des genutzten Kraftstoffs (UFF-Modells) und eines Modells der Nennkraftstoffdynamik (NFD-Modells) eine Masse des unverbrannt eingespritzten Kraftstoffs bestimmt, und ein zweites Modul, das die Kraftstoffversorgung zu einem Zylinder des Motors bis zu einem Verbrennungsereignis des Zylinders auf der Grundlage der Masse des unverbrannt eingespritzten Kraftstoffs reguliert. Sowohl das UFF- als auch das NFD-Modell wird auf der Grundlage von Daten von mehreren Teststarts kalibriert, die auf einem vordefinierten Testplan beruhen.
In einem Merkmal findet die Kalibrierung des UFF- und des NFD-Modells gleichzeitig statt.
In weiteren Merkmalen bestimmt ein drittes Modul über eine vordefinierte Anzahl von Motorzyklen eine durchschnittliche Masse des unverbrannt eingespritzten Kraftstoffs und eine durchschnittliche gemessene Masse des verbrannten Kraftstoffs. Das UFF-Modul wird auf der Grundlage der durchschnittlichen Masse des unverbrannt eingespritzten Kraftstoffs und der durchschnittlichen gemessenen Masse des verbrannten Kraftstoffs kalibriert. Die durchschnittliche Masse des unverbrannt eingespritzten Kraftstoffs und die durchschnittliche gemessene Masse des verbrannten Kraftstoffs werden bei mehreren Motorkühlmitteltemperaturen bestimmt.
In nochmals weiteren Merkmalen kalibriert das dritte Modul das NFD-Modell und einen Formungsparameter bei festen Motorkühlmitteltemperatur-Intervallen. Der Formungsparameter wird auf der Grundlage eines Formungsparameter-Anfangswerts, einer korrigierten Kraftstoffmasse, eines UFF-Werts und einer Masse des unverbrannt eingespritzten Kraftstoffs kalibriert. Der Formungsparameter wird auf der Grundlage einer Verdampfungsrate und eines durchschnittlichen Verhältnisses, das über eine vordefinierte Anzahl von Motorzyklen auf der Grundlage einer korrigierten Kraftstoffmasse und einer gemessenen Masse des verbrannten Kraftstoffs bestimmt wird, kalibriert.
Weitere Bereiche der Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung gehen aus der im Folgenden gegebenen ausführlichen Beschreibung hervor. Obgleich die ausführliche Beschreibung und die spezifischen Beispiele die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angeben, sollen sie selbstverständlich lediglich für Erläuterungszwecke dienen und den Umfang der Erfindung nicht einschränken.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird umfassender aus der ausführlichen Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen verständlich, in denen:
1 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Motorsystems ist, das unter Verwendung der Übergangskraftstoffsteuerung der vorliegenden Erfindung reguliert wird;
2 eine graphische Darstellung ist, die eine beispielhafte tatsächliche Zylinderluftladung (GPO) in Abhängigkeit von einer beispielhaften gefilterten GPO während eines anomalen Motorstarts veranschaulicht;
3 eine graphische Darstellung ist, die eine beispielhafte Masse des unverbrannt eingespritzten Kraftstoffs (RINJ) und eine beispielhafte gemessene Masse des verbrannten Kraftstoffs (MBFM) über mehrere Motorzyklen veranschaulicht;
4 ein Signalablaufplan ist, der beispielhafte Module veranschaulicht, die die Übergangskraftstoffsteuerung der vorliegenden Erfindung ausführen; und
5 eine graphische Darstellung ist, die ein beispielhaftes ereignisaufgelöstes GPO-Vorhersageschema gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
6 eine graphische Darstellung ist, die einen Bruchteil des genutzten Kraftstoffs (UFF), der bei einem beispielhaften Motorzyklus für verschiedene Motorkühlmitteltemperaturen (ECTs) bestimmt wird, und eine durch ein Polynom 3-ter Ordnung angepasste Kurve einschließlich eines Sättigungsgrenzwerts veranschaulicht;
7 eine graphische Darstellung ist, die die Beziehung zwischen einer Formungsparameterfunktion γ(ECT) und der in der UFF-Funktion der Übergangskraftstoffsteuerung verwendeten ECT veranschaulicht;
8 ein Ablaufplan ist, der beispielhafte Schritte zur Optimierung von γ(ECT) und der Parameter des NFD-Abschnitts der Übergangskraftstoffsteuerung veranschaulicht;
9 eine graphische Darstellung ist, die die Beziehung zwischen einer Masse des unverbrannt eingespritzten Kraftstoffs (RINJ) und einer korrigierten Masse des eingespritzten Kraftstoffs (CINJ) auf der Grundlage der UFF-Funktion der Übergangskraftstoffsteuerung veranschaulicht;
10 eine graphische Darstellung ist, die die Beziehung zwischen der RINJ und der CINJ auf der Grundlage der invertierten UFF-Funktion der Übergangskraftstoffsteuerung veranschaulicht; und
11 eine graphische Darstellung ist, die die Beziehung zwischen der RINJ und der CINJ einschließlich eines Sättigungsgrenzwerts auf der Grundlage der invertierten UFF-Funktion der Übergangskraftstoffsteuerung veranschaulicht.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform ist dem Wesen nach lediglich beispielhaft und soll die Erfindung, ihre Anwendung oder Verwendungen in keiner Weise einschränken. Aus Klarheitsgründen sind in den Zeichnungen zur Identifizierung ähnlicher Elemente die gleichen Bezugszeichen verwendet. Wie er hier verwendet wird, bezieht sich der Begriff Modul auf eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), auf eine elektronische Schaltung, auf einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe) und auf einen Speicher, die eines oder mehrere Software- oder Firmware-Programme ausführen, auf eine Kombinationslogikschaltung und/oder auf andere geeignete Komponenten, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen.
Nunmehr anhand von 1 ist ein beispielhaftes Fahrzeugsystem 10 schematisch dargestellt. Das Fahrzeugsystem umfasst einen Motor 12, der in den Zylindern 14 ein Kraftstoff-Luft-Gemisch verbrennt, um Kolben anzutreiben, die in den Zylindern 14 gleitfähig angeordnet sind. Die Kolben treiben eine Kurbelwelle 16 an, um ein Antriebsdrehmoment zu erzeugen. Durch eine Drosselklappe 20 wird Luft in ein Saugrohr 18 des Motors 12 angesaugt. Die Luft wird auf die Zylinder 14 verteilt und mit Kraftstoff von einem Kraftstoffversorgungssystem 22 gemischt. Das Luft-Kraftstoff-Gemisch wird gezündet oder entzündet, um die Verbrennung zu beginnen. Das durch die Verbrennung erzeugte Abgas wird durch einen Auspuffkrümmer 24 aus den Zylindern 14 ausgestoßen. Eine Energiespeichervorrichtung (ESD) 26 liefert Elektroenergie an verschiedene Komponenten des Fahrzeugsystems. Zum Beispiel liefert die ESD 26 Elektroenergie zum Erzeugen des Zündfunkens und liefert sie Elektroenergie zum drehenden Antreiben der Kurbelwelle 16 während des Motorstarts.
Ein Steuermodul 30 reguliert den Gesamtbetrieb des Fahrzeugsystems 10. Das Steuermodul 30 ist verantwortlich für mehrere Signale, die, wie im Folgenden ausführlicher beschrieben wird, durch verschiedene Sensoren erzeugt werden. Das Steuermodul 30 reguliert auf der Grundlage der Übergangskraftstoffsteuerung der vorliegenden Erfindung während Übergängen durch eine Schlüssel-ein-Betriebsart, eine Anlassen-Betriebsart, eine Anlassen-zum-Lauf-Betriebsart und eine Lauf-Betriebsart den Kraftstofffluss zu den einzelnen Zylindern. Genauer ist während des Motorstarts die Anfangsbetriebsart die Schlüssel-ein-Betriebsart, in der ein Fahrer den Zündschlüssel dreht, um den Motorstart zu beginnen. Auf die Schlüssel-ein-Betriebsart folgt die Anlassen-Betriebsart, die die Zeitdauer ist, während der ein (nicht veranschaulichter) Anlassermotor die Kolben drehbar antreibt, um zu ermöglichen, dass Luft in den Zylindern 14 verarbeitet wird. Die Anlassen-zum-Lauf-Betriebsart ist die Zeitdauer, während der vor dem normalen Motorbetrieb in der Lauf-Betriebsart das Anfangszündereignis auftritt.
Das Fahrzeugsystem 10 umfasst einen Massenluftdurchflussmengen-Sensor (MAF-Sensor) 32, der die Luftdurchflussmengenrate durch die Drosselklappe 20 überwacht. Ein Drosselklappenstellungs-Sensor 34 reagiert auf eine Stellung einer Drosselklappenplatte (nicht gezeigt) und erzeugt ein Drosselklappenstellungssignal (TPS). Ein Saugrohrdruck-Sensor 36 erzeugt ein Krümmerabsolutdrucksignal (MAP-Signal) und ein Motordrehzahl-Sensor 38 erzeugt ein Motordrehzahlsignal (RPM-Signal). Ein Motoröltemperatur-Sensor 40 erzeugt ein Motoröltemperatursignal (T_OIL-Signal) und ein Motorkühlmitteltemperatur-Sensor 42 erzeugt ein Motorkühlmitteltemperatursignal (ECT-Signal). Ein Drucksensor 44 ist verantwortlich für den Luftdruck und erzeugt ein Luftdrucksignal (P_BARO-Signal). Ein Strom- bzw. ein Spannungssensor 46, 48 erzeugen Strom- und Spannungssignale der ESD 26. Ein Ansauglufttemperatur-Sensor (IAT-Sensor) 37 erzeugt ein IAT-Signal.
Die Übergangskraftstoffsteuerung der vorliegenden Erfindung berechnet einen Wert des unverbrannten eingespritzten Kraftstoffs (RINJ), der während des Übergangs vom Motorstart zum Anlassen zum Lauf in jeden Zylinder einzuspritzen ist. Genauer sagt die Übergangskraftstoffsteuerung die Zylinderluftladung (GPO) voraus und bestimmt auf der Grundlage der GPO die RINJ. Die Übergangskraftstoffsteuerung realisiert mehrere Funktionen einschließlich, aber nicht beschränkt auf: Anlassen-GPO-Vorhersage, Anlassen-zum-Lauf-GPO-Vorhersage, Lauf-GPO-Vorhersage, ein Ge plante-GPO-Filter, Fehlzündungserfassung, Erfassung eines mageren Starts, Erfassung einer Erholung vom mageren Start, Fehlzündungs/Magerstart-GPO-Vorhersage, Übergangsregeln, Berechnung des Bruchteils des genutzten Kraftstoffs (UFF-Berechnung), Nennkraftstoffdynamikmodell und -steuerung, eine Kraftstoffdynamik-Steuerstrategie sowie eine Kraftstoffvorhersageplanung und Befehlsplanung einzelner Zylinder. Es wird angenommen, dass der genaueste Weg zur Schätzung der wahren GPO der unter Verwendung von MAP-Daten am unteren Totpunkt (BDC-MAP-Daten) ist. Wegen Hardware-Beschränkungen wird die nächste MAP-Messung bei einem spezifizierten Zylinderereignis abgetastet. Ein beispielhaftes Zylinderereignis für einen beispielhaften 4-Zylinder-Motor sind annähernd 60°-75° Grad Kurbelwinkel (CA) vor dem Einlass-BDC. Zwischen den Zylinderereignissen gibt es einen spezifischen CA-Wert. Zum Beispiel gibt es für den beispielhaften 4-Zylinder-Motor zwischen den Ereignissen 180° CA.
Die Anlassen-GPO-Vorhersage besteht aus 1-ter-, 2-ter- und 3-ter-Schrittvoraus-GPO-Vorhersagen mit einer Messungsaktualisierung. Die Anlassen-GPO-Vorhersage wird verwendet, um die GPO für jene Zylinder vorherzusagen, die ihre Luftladung während des Betriebs in der Anlassen-Betriebsart aufnehmen. Der Anlassen-GPO-Vorhersage sind die folgenden. Gleichungen zugeordnet: GPOk+3|k = αCRKGPOk+2|k + (1 – αCRK)GPOk+1|k (1) GPOk+2|k = αCRKGPOk+1|k + (1 – αCRK)GPOk|k (2) GPOk+1|k = αCRKGPOk|k + (1 – αCRK)GPOk-1|k (3) GPOk|k = GPOk|k-1 + KG(GPOk – GPOk|k-1) (4)
Gleichung 1 ist die 3-ter-Schritt-voraus-Vorhersage, Gleichung 2 ist die 2-ter-Schritt-voraus-Vorhersage, Gleichung 3 ist die 1-ter-Schritt-voraus- Vorhersage und Gleichung 4 ist eine Messungsaktualisierung. α_CRK ist für alle Motorstartbedingungen eine einzelne feste Zahl und KG bezeichnet einen Kalman-Filter-Gewinn des stationären Zustands. Da der Anlassen-GPO-Prädiktor nur für kurze Zeitdauer (z. B. nur für die ersten drei Motorereignisse für den beispielhaften 1-4-Motor) läuft, wird α_CRK von Hand abgestimmt. Der Index k|k-1 bezeichnet den Wert des momentanen Ereignisses k unter Verwendung von Informationen bis zum vorhergehenden Ereignis k-1, k|k bezeichnet den Wert beim momentanen Ereignis k unter Verwendung von Informationen bis zum momentanen Ereignis k, k + 1|k bezeichnet den Wert beim künftigen Ereignis k + 1 unter Verwendung von Informationen bis zum momentanen Ereignis k usw.
GPO_k wird auf der Grundlage der folgenden Gleichung berechnet: GPOk = αCRK-VE VECRKMAPk/IATk (5)wobei VE_CRK der volumetrische Wirkungsgrad bei der Anlassdrehzahl ist, der aus der Geometrie des Kolbens und des Zylinderkopfs unter Verwendung eines bekannten Kompressionsverhältnisses berechnet wird, und α_CRK-VE ein Skalierungskoeffizient ist, der zur Anpassung der Einheiten von VE_CRK und MAP_k/IAT_k verwendet wird.
Die Anlassen-zum-Lauf-GPO-Vorhersage umfasst ebenfalls 1-ter-, 2-ter- und 3-ter-Schritt-voraus-GPO-Vorhersagen und eine Messungsaktualisierung. Wie im Folgenden ausführlicher erläutert wird, gibt es eine Übergangszeitdauer, während der die Anlassen-GPO-Vorhersage-Funktion und die Anlassen-zum-Lauf-GPO-Vorhersagefunktion gleichzeitig arbeiten. Einmal vollständig in der Anlassen-zum-Lauf-Betriebsart, wird die Anlassen-zum-Lauf-GPO-Vorhersage allein verwendet. Die Anlassen-zum-Lauf-GPO-Vorhersage wird verwendet, um die GPO für jene Zylinder vorherzusagen, die ihre Luftladung während des Betriebs in der Anlassen-zum- Lauf-Betriebsart aufnehmen. Die der Anlassen-zum-Lauf-GPO-Vorhersage zugeordneten Gleichungen sind wie folgt gegeben: GPOk+3|k = αCTRGPOk+2|k (6) GPOk+2|k = αCTRGPOk+1|k (7) GPOk+1|k = αCTRGPOk|k (8) GPOk|k = GPOk|k-1 + KG(GPOk – GPOk|k-1) (9)wobei Gleichung 6 die 3-ter-Schritt-voraus-Vorhersage, Gleichung 7 die 2-ter-Schritt-voraus-Vorhersage, Gleichung 8 die 1-ter-Schritt-voraus-Vorhersage und Gleichung 9 die Messungsaktualisierung sind. Der Prädiktorkoeffizient α_CTR, bei dem der Index CTR die Anlassen-zum-Lauf-Bedingung bezeichnet, ist eine lineare Splinefunktion des TPS und des Motor-RPM-Signals und ist gegeben als:
ist. Außerdem werden die folgenden Definitionen gegeben:
mit:
geschrieben werden kann. Beispielhafte Werte von TPS_i und RPM_j sind (5, 15, 20, 30, ⇋) bzw. (600, 1200, 1800, ⇋).
In der Gleichung 9 wird GPO_k auf der Grundlage der folgenden Gleichung berechnet: GPOk = αRUN-VE VERUN (MAPk, RPMk)MAPk/IATk (21)wobei VE_RUN(.) der volumetrische Wirkungsgrad bei der Normalbedingung oder Lauf-Betriebsbedingung ist und auf der Grundlage von MAP und RPM bestimmt wird und α_RUN-VE ein Skalierungskoeffizient ist, der zur Anpassung der Einheiten von VE_RUN(.) und MAP_k/IAT_k verwendet wird.
Die Lauf-GPO-Vorhersage umfasst 1-ter-, 2-ter- und 3-ter-Schritt-voraus-GPO-Vorhersagen und eine Messungsaktualisierung. Die Lauf-GPO-Vorhersage wird während der Lauf-Betriebsart verwendet. Die Gleichungen, die der Lauf-GPO-Vorhersage zugeordnet sind, sind gegeben als: GPOk+3|k = αRUNGPOk+2|k + U(TPS, GPC) (22) GPOk+2|k = αRUNGPOk+1|k + U(TPS, GPC) (23) GPOk+1|k = αRUNGPOk|k + U(TPS, GPC) (24) GPOk|k = GPOk|k-1 + KG(GPOk – GPOk|k-1) (25)wobei Gleichung 22 die 3-ter-Schritt-voraus-Vorhersage, Gleichung 23 die 2-ter-Schritt-voraus-Vorhersage, Gleichung 24 die 1-ter-Schritt-voraus-Vorhersage und Gleichung 25 die Messungsaktualisierung sind. Die Eingangsfunktion U(TPS, GPC) ist eine Funktion des TPS und der Zylinderluftladung, die auf der Grundlage des MAF bei der Drosselklappe (GPC) gemessen wird, und ist gegeben als:
Die Parameterbeschränkungen des Lauf-GPO-Prädiktors und der Eingangsfunktion sind β₁ + β2 + β₃ = 0 und 1 – α_RUN = γ₁ + γ₂ + γ₃, wobei α_RUN eine einzelne feste Zahl ist. In Gleichung 25 wird GPO_k wie folgt berechnet:GPOk = αRUN-VE VERUN (MAPk, RPMk)MAPk (27)
Nunmehr anhand von 2 kann die GPO-Messungen unter anomalen Motorstarts (z. B. Fehlzündung und/oder Magerstartbedingungen) unerwünschte Schwankungen aufweisen. Dies kann veranlassen, dass die GPO-Vorhersage ein unerwünschtes Verhalten zeigt. In 2 ist die beispielhafte Datenspur eines mageren Starts veranschaulicht. Die gefilterte GPO verhält sich besser (d. h. weist weniger Schwankung auf) und ist somit in der GPO-Vorhersage nützlicher als die gemessene GPO. Die GPO-Filterplanung beruht auf dem Zündverhalten des Motors. Genauer ist die gefilterte GPO (GPOF_k) für normale Motorstarts (d. h. Normalbetriebsart) gegeben als: GPOFk = 0,1GPOFk-1 + 0,9GPOk (28)
Für anomale Motorstarts (einschließlich Fehlzündung und/oder magerer Start) ist die GPOF_k gegeben als: GPOFk = 0,9GPOFk-1 + 0,1GPOk (29)
Da der schnelle GPO-Abfall von einem spezifischen Ereignis (z. B. vom Ereignis 4 für den beispielhaften 1-4-Motor) beginnt, wird das GPO-Filter erst von diesem Ereignis an aktiviert. Somit werden von diesem Ereignis an die GPO_k, die in allen oben beschriebenen Vorhersagegleichungen erscheinen, durch GPOF_k ersetzt. Es ist klar, dass die Werte 0,1 und 0,9 dem Wesen nach lediglich beispielhaft sind.
Bei normalen Motorstarts ist die Zeitkonstante des GPO-Filters 0,1 und spielt keine Rolle bei der Filterung der wahren gemessenen GPO. In diesem Fall ist der Nutzen der Verwendung der gefilterten GPO nicht offensichtlich. Dagegen kann die Zeitkonstante des GPO-Filters im Fall anomaler Motorstarts so groß wie 0,9 sein. Dieses Schema schafft ein Sicherheitsnetz, das in dem Gesamt-GPO-Vorhersageschema realisiert ist. Wenn sich der Motor von der Fehlzündung oder von dem mageren Start erholt, wird das GPO-Filter in die Normalbetriebsart geschaltet.
Die Motorfehlzündungserfassung wird auf der Grundlage einer Überwachung einer RPM-Differenz zwischen Ereignissen, zwischen denen die erste Zündung auftritt, ausgeführt. Für den beispielhaften 1-4-Motor mit bekannter Nockenstellung tritt die erste Zündung zwischen Ereignis 3 und Ereignis 4 auf. Somit kann eine Fehlzündung beim Ereignis 4 erfasst werden. Die Erfassungsregel für die Fehlzündung ist wie folgt definiert:
Falls ΔRPM = (RPM₄ – RPM₃) < ΔRPM_{1-te Zündung} ist, wird eine Fehlzündung erfasst,
wobei ΔRPM_{1-te Zündung} (d. h. die Änderung der RPM wegen der ersten Zündung) eine Kalibrierungszahl (z. B. näherungsweise 200 RPM) ist. Für Motoren mit mehr als vier Zylindern kann die Erfassungsregel dementsprechend eingestellt werden. Die Bezeichnung RPM_k bezieht sich auf die RPM beim Ereignis k.
Ein magerer Start kann auf der Grundlage einer Schwellenwert-RPM nach dem 2-ten Verbrennungsereignis erfasst werden. Unter Normalbedingungen tritt die 2-te Verbrennung für den beispielhaften 1-4-Motor zwischen Ereignis 4 und Ereignis 5 auf und kann die Motordrehzahl auf einen größeren Wert als eine Schwellenwert-RPM (z. B. 700 RPM) bringen. Somit ist die Regel für die Erfassung eines mageren Starts wie folgt definiert:
Falls RPM_k≥5 ≤ 700 ist, wird ein magerer Start erfasst.
Falls der Motor in der Magerstart-Betriebsart arbeitet und RPM_k ≥ 1400 ist, wird die Magerstart-Erholung erfasst. Der RPM-Schwellenwert für die Magerstart-Erholung kann in dem Moment definiert werden, in dem sowohl RPM_k ≥ 1400 ist als auch der erste zuverlässige Messwert der GPC verfügbar ist. Es ist klar, dass die hier gegebenen Schwellen-RPM-Werte dem Wesen nach lediglich beispielhaft sind. Wenn die Magerstart-Erholung erfasst wird, wird das GPO-Filter dementsprechend in die Normalbetriebsart geschaltet, wobei die GPO-Vorhersage unter Verwendung des Lauf-GPO-Prädiktors erfolgt.
Falls der Motor in der Fehlzündungs-Betriebsart arbeitet, ersetzt die Fehlzündungs-GPO-Vorhersage die Anlassen-zum-Lauf-GPO-Vorhersage. Die Fehlzündungs-GPO-Vorhersage realisiert die folgenden Gleichungen: GPOk+3|k = α2MIS GPOk|k (30) GPOk+2|k = α2MIS GPOk|k (31) GPOk+1|k = αMISGPOk|k (32) GPOk|k = GPOk|k-1 + KG(GPOk – GPOk|k-1) (33)wobei Gleichung 30 die 3-ter-Schritt-voraus-Vorhersage, Gleichung 31 die 2-ter-Schritt-voraus-Vorhersage, Gleichung 32 die 1-ter-Schritt-voraus-Vorhersage und Gleichung 33 die Messungsaktualisierung sind und beispielhafte Werte α_MIS = 1 und KG = 0,8 gegeben sind. Allerdings ist klar, dass diese Werte auf der Grundlage motorspezifischer Parameter variieren können.
Falls der Motor in der Magerstart-Betriebsart arbeitet, ersetzt die Magerstart-GPO-Vorhersage die Anlassen-zum-Lauf-Vorhersage. Die Magerstart-GPO-Vorhersage realisiert die folgenden Gleichungen: GPOk+3|k = α3PS GPOk|k (34) GPOk+2|k = α3PS GPOk|k (35) GPOk+1|k = α3PS GPOk|k (36) GPOk|k = GPOk|k-1 + KG(GPOk – GPOk|k-1) (37)wobei Gleichung 34 die 3-ter-Schritt-voraus-Vorhersage, Gleichung 35 die 2-ter-Schritt-voraus-Vorhersage, Gleichung 36 die 1-ter-Schritt-voraus-Vorhersage und Gleichung 37 die Messungsaktualisierung sind und die beispielhaftem Werte α_PS = 0,98 und KG = 0,8 gegeben sind. Allerdings ist klar, dass diese Werte auf der Grundlage motorspezifischer Parameter Variieren können.
Für den beispielhaften 4-Zylinder-Motor werden die Regeln zum Definieren des Übergangs zwischen den Betriebsarten wie folgt zusammengefasst. Bei einer bekannten Nockenstellung ist Ereignis 4 das Standardereignis für den Übergang aus der Anlassen-Betriebsart in die Anlassenzum-Lauf-Betriebsart. Falls die Änderung der RPM beim Ereignis 4 kleiner als eine kalibrierbare Zahl (z. B. 200 RPM) ist, wird eine gasarme Zündung erfasst und die Gasarme-Zündungs-GPO-Vorhersage aktiviert, wobei das Anomale-GPO-Filter und die Gasarme-Zündungs-GPO-Vorhersage verwendet werden. Falls die Motordrehzahl beim Ereignis 5 kleiner als eine kalibrierbare Zahl (z. B. 700 RPM) ist, wird ein magerer Start erfasst und die Magerstart-GPO-Vorhersage aktiviert. Gleichzeitig wird das Anomale-GPO-Filter aktiviert. Andernfalls werden das Normale-GPO-Filter und die Anlassen-zum-Lauf-GPO-Vorhersage aktiviert. Falls die Motordrehzahl den kalibrierbaren RPM-Schwellenwert (z. B. 1400 RPM) entweder von einer Magerstart-Erholungsbetriebsart oder von einer Normalstart-Betriebsart durchläuft, schaltet das Vorhersageschema in die Lauf-GPO-Vorhersage. Für Motoren mit mehr als 4 Zylindern werden ähnliche, aber geänderte Regeln angewendet.
Nunmehr anhand von 3 wird eine Funktion des genutzten Kraftstoffanteils (UFF-Funktion) der Übergangskraftstoffsteuerung ausführlich beschrieben. Der UFF ist der Prozentsatz an Kraftstoff, der in dem momentanen Verbrennungsereignis tatsächlich verbrannt wird, und beruht auf experimentellen Beobachtungen. Genauer ist der UFF ein Bruchteil der Masse des unverbrannt eingespritzten Kraftstoffs (RINJ) zu der gemessenen Masse des verbrannten Kraftstoffs (MBFM). Es gibt eine Menge der RINJ, die nicht an dem Verbrennungsprozess beteiligt ist. Die Wirkung dieser Erscheinung ist in 3 veranschaulicht, in der sich die Gesamtmenge der RINJ nicht in der Abgasmessung zeigt und eine Wirkung einer abnehmenden Rückführung beobachtet wird. Diese Erscheinung unvollständiger Kraftstoffnutzung gibt an, dass die Nutzungsrate keine konstante Zahl und eine Funktion der RINJ ist.
Die Übergangskraftstoffsteuerung der vorliegenden Erfindung modelliert diese entscheidende Nichtlinearität durch Trennen der Gesamtkraftstoffdynamik in zwei hintereinander geschaltete Teilsysteme: der nichtlinearen, von der Eingabe (RINJ) abhängigen UFF und einer Einheitsgewinn-Nenn-Kraftstoffdynamikfunktion.
Die von der Eingabe abhängige (RINJ-abhängige) UFF-Funktion ist gegeben als:
wobei CINJ die korrigierte Menge der Kraftstoffmasse ist, die durch Berücksichtigung des UFF eingespritzt wird. Der Index SS gibt den Zyklus an, in dem die Motorluftdynamik einen stationären Zustand erreicht. Obgleich ein beispielhafter Wert des SS gleich 20 (d. h. der 20-te Zyklus) ist, ist klar, dass dieser Wert auf der Grundlage motorspezifischer Parameter variieren kann. Die UFF-Funktion ist wie folgt definiert:
In den obigen Ausdrücken bezeichnet UFF₂₀ den im Zyklus 20 berechneten UFF. Der Parameter γ(ECT) wird verwendet, um eine Form zu charakterisieren, die die Korrekturanforderung zur Erfassung der Wirkung verminderter Rückgabe erfüllt. Der einzelne ECT-gestützte Parameter vereinfacht den Kalibrierungsprozess und ermöglicht eine robuste Parameter schätzung, wenn der Datenreichtum ein Problem ist. Der Betrag von γ(ECT) liegt während eines normalen Motorstarts für eine gegebene feste ECT im gleichen Bereich der festen, indizierten RINJ (RINJ(1)). Somit wird γ(ECT) als ein Gewichtungsparameter für die RINJ-Korrektur in den ersten wenigen Motorzyklen betrachtet.
Das Vorwärts-Massenerhaltungs- oder Einheitsgewinn-Nenn-Kraftstoffdynamikfünktion (NFD-Funktion) der Übergangskraftstoffsteuerung wird unter Verwendung der folgenden Gleichung für den autoregressiven gleitenden Mittelwert (ARMA-Gleichung) dargestellt: γ(k) = –β1γ(k-1) + α0u(k) + α1u(k-1) (40)wobei γ(k) die MBFM bezeichnet und u(k) die CINJ angibt. Gleichung 40 unterliegt einer Einheitsbeschränkung: 1 + β₁ = α₀ + α₁. Obgleich die NFD-Modellstruktur ein lineares Modell erster Ordnung ist, sind die Modellparameter eine Funktion der ECT. Außerdem werden die Parameter α₀, α₁ und β₁ unter einem normalen Motorstart etwas durch die RPM und den MAP beeinflusst. Allerdings kann die Steuerung unter Verwendung einer solchen Modellstruktur und Parametereinstellung (d. h. Erfassung der MAP- und RPM-Wirkung) unter anomalen Motorstarts zu ungeeigneter Kraftstoffdynamikkompensation wegen unzureichender Genauigkeit der MAP- und RPM-Vorhersagen führen. Somit sind die Parameter α₀, α₁ und β₁ lediglich Funktionen der ECT. Wenn Gleichung 40 in der Übergangskraftstoffsteuerung verwendet wird, wird sie invertiert, so dass sie Folgendes ergibt:
wobei γ(k) die gewünschte Masse des im Zylinder verbrannten Kraftstoffs (d. h. der befohlene Kraftstoff) ist und u(k) der eingestellte Nenndynamikkraftstoffbefehl ist.
Nunmehr anhand von 4 sind beispielhafte Module veranschaulicht, die die Übergangskraftstoffsteuerung ausführen. Allgemein umfasst die Kraftstoffsteuerung die GPO-Vorhersage (d. h. Mehrschritt-GPO-Prädiktor für Anlassen, Anlassen-zum-Lauf und Lauf), die Umsetzung der vorhergesagten GPO und der befohlenen Äquivalenzverhältnistrajektorie (EQR-Trajektorie) in den Kraftstoffmassenbefehl, die inverse Nennkraftstoffdynamik, die auf der Grundlage der ECT geplant wird, und die inverse UFF-Funktion, die auf der Grundlage der ECT geplant wird. Das EQR_COM wird als das Verhältnis des befohlenen Kraftstoff-Luft-Verhältnisses zu dem stöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Verhältnis bestimmt und zum Negieren von Differenzen der Kraftstoffzusammensetzungen und zum Liefern einer robusten Kraftstoffversorgung zu dem Motor bei Kaltstartbedingungen verwendet. Das stöchiometrische Kraftstoff-Luft-Verhältnis ist das spezifische Kraftstoff-Luft-Verhältnis, bei dem der Kohlenwasserstoff-Kraftstoff vollständig oxidiert wird. Das Modul umfasst, ist aber nicht beschränkt auf, ein GPO-Prädiktormodul 500, ein Kraftstoffmassen-Umsetzungsmodul 502, ein Modul 504 für die inverse Nennkraftstoffdynamik und ein Modul 506 für den inversen UFF.
Das GPO-Prädiktormodul 500 erzeugt auf der Grundlage von P_BARO, MAP, TPS, RPM, T_OIL, SOC, GPC und IAT die GPO_k+1|k, die GPO_k+2|k und die GPO_k+3|k. Das besondere verwendete Vorhersagemodell oder die besonderen verwendeten Vorhersagemodelle hängen von der momentanen Ereigniszahl und von der Motorbetriebsart (z. B. Fehlzündung und magerer Start) ab und umfassen die Anlassen-GPO-Vorhersage, die Anlassen-zum-Lauf-GPO-Vorhersage und die Lauf-GPO-Vorhersage, die Fehlzündungs-GPO-Vorhersage und die Magerstart-GPO-Vorhersage. Das Kraftstoffmassen-Umsetzungsmodul 502 bestimmt auf der Grundlage der GPO-Werte und des EQR_COM die MBFM. Das Modul 504 für die inverse Nennkraft stoffdynamik bestimmt auf der Grundlage der MBFM und der ECT die CINJ. Das Modul 506 für den inversen UFF bestimmt auf der Grundlage der CINJ und der ECT die RINJ. Die Zylinder werden auf der Grundlage der jeweiligen RINJs mit Kraftstoff versorgt.
Nunmehr anhand von 5 ist für den beispielhaften 4-Zylinder-Motor ein ereignisaufgelöstes GPO-Vorhersage-Planungsschema graphisch veranschaulicht. Es ist klar, dass das GPO-Vorhersageplanungsschema zur Anwendung auf Motoren mit einer anderen Anzahl von Zylindern angepasst werden kann. Außerdem ist klar, dass der Graph aus 5 für den beispielhaften Motor in einer beispielhaften Startstellung ist, in der der Zylinder Nr. 3 der erste Zylinder ist, der gezündet werden kann. Die Übergangskraftstoffsteuerung oder die vorliegende Erfindung sind auf andere Startstellungen anwendbar (wobei z. B. der Zylinder Nr. 1 der erste Zylinder ist, der gezündet werden kann).
Ein Schlüssel-ein-Ereignis beginnt das Anlassen des Motors, wobei nur in zwei Zylinder (z. B. für einen 4-Zylinder-Motor) Anlasskraftstoff eingespritzt wird, um ein Einspritzen bei offenem Ventil im Fall einer Fehlsynchronisation zu vermeiden. Der Zylinder Nr. 1 kann wegen des offenen Ansaugventils nicht mit Kraftstoff versorgt werden. Die Ladungen eingespritzten Anlasskraftstoffs werden unter Verwendung der Anlassen-GPO-Vorhersage berechnet. Bei dem ersten Ereignis (E1), bei dem der Zylinder Nr. 1 bei 75° CA vor dem BDC-Ansaugen ist und kein Kraftstoff eingespritzt wird, wird eine Fehlsynchronisationskorrektur ausgeführt, wobei nur die Anlassen-GPO-Vorhersage arbeitet. Außerdem werden bei E1 eine 2-ter-Schritt-voraus-Vorhersage der GPO für den Zylinder Nr. 3 und eine 3-ter-Schritt-voraus-Vorhersage der GPO für den Zylinder Nr. 4 ausgeführt. Auf der Grundlage der 2-ter- und 3-ter-Schritt-voraus-GPOs werden die jeweiligen RINJs bestimmt und auf der Grundlage der RINJs werden die Zylinder Nr. 3 und Nr. 4 mit Kraftstoff versorgt.
Bei dem zweiten Ereignis (E2) ist der Zylinder Nr. 3 bei 75° CA vor dem BDC, wobei die 1-ter-Schritt-voraus-GPO-Vorhersage und der Kraftstoffbefehl erfolgen. Die Anlassen-GPO-Vorhersage und die Anlassen-zum-Lauf-GPO-Vorhersage arbeiten gleichzeitig. Genauer werden bei E2 unter Verwendung der Anlassen-GPO-Vorhersage (siehe durchgezogene Pfeile) eine 1-ter-Schritt-voraus-Vorhersage der GPO für den Zylinder Nr. 3 und eine 2-ter-Schritt-voraus-Vorhersage der GPO für den Zylinder Nr. 4 bestimmt. Unter Verwendung der Anlassen-zum-Lauf-GPO-Vorhersage (siehe gestrichelte Pfeile) wird eine 3-ter-Schritt-voraus-Vorhersage der GPO für den Zylinder Nr. 2 bestimmt. Die jeweiligen RINJs werden auf der Grundlage der GPO-Vorhersagen berechnet und die Zylinder Nr. 3, Nr. 4 und Nr. 2 werden bis zum nächsten Ereignis auf der Grundlage der RINJs mit Kraftstoff versorgt.
Bei dem dritten Ereignis ist der Zylinder Nr. 4 bei 75° CA vor dem BDC, wobei die Anlassen-GPO-Vorhersage und die Anlassen-zum-Lauf-GPO-Vorhersage gleichzeitig arbeiten und die Kraftstoffdynamik-Anfangsbedingung des Zylinders Nr. 3 nicht mehr null ist und für das nächste Kraftstoffversorgungsereignis berücksichtigt werden muss. Genauer wird bei E3 unter Verwendung der Anlassen-GPO-Vorhersage (siehe durchgezogener Pfeil) eine 1-ter-Schritt-voraus-Vorhersage der GPO für den Zylinder Nr. 4 bestimmt. Unter Verwendung der Anlassen-zum-Lauf-Vorhersage (siehe gestrichelte Pfeile) werden eine 2-ter-Schritt-voraus-GPO-Vorhersage für den Zylinder Nr. 2 und eine 3-ter-Schritt-voraus-GPO-Vorhersage für den Zylinder Nr. 1 bestimmt. Auf der Grundlage der GPO-Vorhersagen werden die jeweiligen RINJs berechnet, wobei die Zylinder Nr. 4, Nr. 2 und Nr. 1 auf der Grundlage der RINJs während des nächsten Ereignisses mit Kraftstoff versorgt werden.
Bei dem vierten Ereignis (E4) ist der Zylinder Nr. 2 bei 75° CA vor dem BDC, wobei eine Fehlzündungserfassung ausgeführt wird und die Kraftstoffdynamik-Anfangsbedingung des Zylinders Nr. 4 nicht mehr null ist und für das nächste Kraftstoffversorgungsereignis berücksichtigt werden muss. Falls keine Fehlzündung erfasst wird, werden unter Verwendung der Anlassen-zum-Lauf-Vorhersage (siehe gestrichelte Pfeile) eine 1-ter-Schritt-voraus-GPO-Vorhersage für den Zylinder Nr. 2, eine 2-ter-Schrittvoraus-GPO-Vorhersage für den Zylinder Nr. 1 und eine 3-ter-Schritt-voraus-GPO-Vorhersage für den Zylinder Nr. 3 bestimmt. Falls eine Fehlzündung erfasst wird, werden unter Verwendung der Fehlzündungsvorhersage eine 1-ter-Schritt-voraus-GPO-Vorhersage für den Zylinder Nr. 2, eine 2-ter-Schritt-voraus-GPO-Vorhersage für den Zylinder Nr. 1 und eine 3-ter-Schritt-voraus-GPO-Vorhersage für den Zylinder Nr. 3 bestimmt. Auf der Grundlage der GPO-Vorhersagen werden die jeweiligen RINJs berechnet und während des nächsten Ereignisses die Zylinder Nr. 2, Nr. 1 und Nr. 3 auf der Grundlage der RINJs mit Kraftstoff versorgt.
Bei dem fünften Ereignis (E5) ist der Zylinder Nr. 1 bei 75° CA vor dem BDC, wobei eine Magerstart-Erfassung ausgeführt wird und die Kraftstoffdynamik-Anfangsbedingung des Zylinders Nr. 2 nicht mehr null ist und im nächsten Kraftstoffversorgungsereignis berücksichtigt werden muss. Falls kein magerer Start erfasst wird, werden unter Verwendung der Laufbedingung eine 1-ter-Schritt-voraus-GPO-Vorhersage für den Zylinder Nr. 1, eine 2-ter-Schritt-voraus-GPO-Vorhersage für den Zylinder Nr. 3 und eine 3-ter-Schritt-voraus-GPO-Vorhersage für den Zylinder Nr. 2 bestimmt. Falls ein magerer Start erfasst wird, werden unter Verwendung der Magerstart-Vorhersage eine 1-ter-Schritt-voraus-GPO-Vor hersage für den Zylinder Nr. 1, eine 2-ter-Schritt-voraus-GPO-Vorhersage für den Zylinder Nr. 3 und eine 3-ter-Schritt-voraus-GPO-Vorhersage für die Zylinder Nr. 2 bestimmt. Auf der Grundlage der Vorhersagen werden die jeweiligen RINJs berechnet, wobei die Zylinder Nr. 1, Nr. 3 und Nr. 4 während des nächsten Ereignisses auf der Grundlage der RINJs mit Kraftstoff versorgt werden. Die nachfolgenden Ereignisse (E6-En) sind ähnlich, wobei sich die Zylinder auf der Grundlage der Zündreihenfolge (z. B. 1342, wenn der Zylinder Nr. 3 für den beispielhaften 4-Zylinder-Motor zuerst gezündet wird) abwechseln. Wenn die Motordrehzahl stabil ist und größer als 1400 RPM ist, wird die Lauf-GPO-Vorhersage verwendet.
Es wird ein Kalibrierungsprozess für die UFF- und NFD-Funktionen der Übergangskraftstoffsteuerung geschaffen. Eine Zustandsvariablendarstellung der Vorwärts-NFD (d. h. nicht invertierten NFD) ist als:
gegeben. Die Systemausgabe ist m_cvl(k) was γ(k) in der ARMA-Formulierung entspricht, und die Systemeingabe ist die UFF-korrigierte Masse des eingespritzten Kraftstoffs (CINJ), die u(k) entspricht. Wenn die Zustandsvariable m_dep(k) im Kontext des bekannten diskreten τ-X-Kraftstoffdynamikmodells interpretiert wird, kann τ als die Verdampfungsrate und X als der Bruchteil der direkten Durchschleif-Steuerangabe angesehen werden. Die Konstruktion der Zustandsvariablen äquivalent dem τ-X-Modell genügt der Einheitsgewinneigenschaft und kann in der ARMA-Form als: γ(k) – (1 – τ) γ(k – 1) = Xu(k) – (x – τ)u(k – 1) (43)geschrieben werden. Es wird angemerkt, dass α₀ mit X korreliert, α₁ mit –(X – τ) korreliert und β₁ mit –(1 – τ) korreliert. Sowohl das Zustandsvari ablenmodell als auch das ARMA-Modell werden zur Beschreibung des Kalibrierungsprozesses der vorliegenden Erfindung verwendet.
In dem Kalibrierungsprozess der vorliegenden Erfindung bezieht sich die Massenerhaltung auf die asymptotisch stabilen Einheitsgewinn-Charakteristiken eines dynamischen Prozesses. Falls die Anfangsbedingung eines asymptotisch stabilen dynamischen Einheitsgewinn-Systems gleich null ist, ist die gespeicherte Energie die Differenz zwischen der Eingangsenergie und der Ausgangsenergie. Im Kontext der Zustandsvariablendarstellung der NFD-Funktion ist die folgende Aussage gültig, wenn die Anfangsbedingung m_dep(0) gleich null ist:
Im Fall eines beispielhaften 4-Zylinder-Motors mit gut konstruierter Motorstart- und Anlassen-zum-Lauf-Kraftstoffsteuerung nähern sich die Eingabe (u(k)) und die Ausgabe (m_cyl(k)) um den 16-ten Motorzyklus beginnend stationär einander an.
Somit ist m_cyl(16 ≤ k ≤ 20) ≈ u(16 ≤ k ≤ 20), wobei die folgenden Relationen wahr sind: mdep (k) ≥ 0 (45) mcyl(16 ≤ k ≤ 20) = τmdep(15 ≤ k ≤ 19) + Xu(16 ≤ k ≤ 20) (46)
R ist ein Messwert, falls CINJ bekannt ist. Unter Verwendung der Beziehung X = 1 – Rτ wird ein Parameter eliminiert, indem X in der folgenden Gleichung ersetzt wird: y(k) – (1 – τ)y(k – 1) = Xu(k) – (X – T)u(k – 1) (49)was u(k) – u(k – 1) – y(k) + y(k – 1) = τ(y(k – 1) – u(k – 1) + R(u(k) – u(k – 1))) (50)liefert. Da Gleichung 46 einen unbekannten Parameter aufweist, kann der Algorithmus der kleinsten Fehlerquadrate den Parameter τ selbst im Fall spärlicher Daten robust identifizieren. Auf diese Weise wird das Modell bei spärlichen und verrauschten Daten unter Verwendung einer inhärenten Beziehung zwischen den Modellparametern kalibriert. Im Ergebnis verringert das Erzwingen der Massenerhaltung erheblich die Parameteränderung in dem Kalibrierungsprozess bei spärlichen und verrauschten Daten.

Der Kalibrierungsprozess der vorliegenden Erfindung umfasst die gleichzeitige Optimierung der UFF-Funktion und NFD-Funktionen. Die folgende Testtabelle zeigt beispielhaft eine beispielhafte minimale Anforderung, um den Kalibrierungsprozess für die Kraftstoffsteuerung während des Anlassen-zum-Lauf-Übergangs zu ermöglichen.

ECT	Anz. der Starts	Anmerkungen
–25 °C	≥ 3	1. Bei jeder ECT sind wenigstens drei gute Starts erforderlich. 2. Die Anzahl der gezeigten Tests repräsentiert, was nur für die Kraftstoffdynamikidentifizierung erforderlich ist.
–20 °C	≥ 3
–15 °C	≥ 3
–10 °C	≥ 3
–5 °C	≥ 3
0 °C	≥ 3
25 °C	≥ 3
90 °C	≥ 3

Tabelle 1

Tabelle 1 ist nur ein Beispiel für Abtastschemata bei verschiedenen Werten der ECT. Falls der Bereich der ECT ausreichend gut abgedeckt ist, können Änderungen an diesen verwendet werden.
Nunmehr anhand von 6 wird die Kalibrierung von UFF₂₀(ECT) ausführlich beschrieben. Während der Kalibrierung von UFF₂₀(ECT) werden bei jeder ECT gemittelte RINJ- und MBFM-Messwerte von den Zyklen 18 bis 20 erhoben. In dieser Berechnung werden nur gute Starts verwendet.
Für jeden Test für die guten Starts wird UFF₂₀ berechnet. Über eine Standardregression wird ein Polynom dritter Ordnung verwendet, um eine kontinuierliche (d. h. stetige) UFF₂₀(ECT)-Funktion zu erhalten. Ein Sättigungsgrenzwert, der die maximale Ausgabe der Regressionsfunktion UFF₂₀ ist, wird gleich 1 gesetzt. Wie in der graphischen Darstellung von 6 veranschaulicht ist, findet dies bei höheren ECTs statt.
Nunmehr anhand der 6 und 7 wird ausführlich die Kalibrierung der γ(ECT)- und der NFD-Funktion bei festen ECT-Werten beschrieben. Es tritt die Wirkung verminderter Rückführung (d. h. des zugeführten Kraftstoffs in Abhängigkeit von der aus diesem Kraftstoff erzeugten Leistung) auf, wobei sich der Parameter γ(ECT) als eine Funktion der ECT ändert. Diese Wirkung wird für niedrigere ECTs zunehmend ausgeprägt, bis die ECT unter angenähert 20 °C fällt, wobei γ(ECT) an diesem Punkt konstant wird. Die einzige Differenz zwischen den Korrektureffekten der UFF-Funktion ergibt sich z. B. bei Temperaturen unter –20 °C aus dem Beitrag von UFF₂₀(ECT). Ferner wird die Wirkung verminderter Rückführung vernachlässigbar, wenn sich UFF₂₀(ECT) 1 annähert. Im Ergebnis ändert sich der Parameter γ(ECT) für Temperaturen jenseits dieses Werts der ECT nicht. Dieses nichtlineare Verhalten der UFF-Funktion ist in den beispielhaften graphischen Darstellungen der 6 und 7 zusammengefasst.
Nunmehr anhand von 8 wird ausführlich eine Mehrschrittprozedur zum Kalibrieren von γ(ECT) und der NFD-Funktion beschrieben. Die Mehrschrittprozedur ist eine Optimierungsroutine. In Schritt 800 beginnt die Optimierung bei einem gegebenen ECT von einem sinnvollen Anfangswert für γ(ECT). Beispiele sinnvoller Werte für das Anfangs-γ(ECT) sind in der folgenden Tabelle gezeigt:

ECT γ(ECT)

–25 °C 500

–20 °C 450

–10 °C 400

–5 °C 350

0 °C 300

10 °C 250

25 °C 200

Tabelle 2
In Schritt 802 wird Gleichung 38 zum Berechnen der CINJ verwendet.
UFF₂₀(ECT) wird eher als aus der oben diskutierten Regressionsfunktion UFF₂₀(ECT) aus jedem einzelnen Test erhalten. In Schritt 804 wird Gleichung 44 verwendet, um den Kraftstoffvorrat (m_dep(T)) zu berechnen, wobei T ein gewünschter Wert (z. B. 20) ist.
In Schritt 806 wird auf der Grundlage der folgenden Gleichung:
wobei n ≥ 3 die Anzahl guter Starttests bei einem gegebenen ECT ist, ein gemitteltes Verhältnis (R_avg) berechnet. In der ARMA-Darstellung aus Gleichung 49 wird X in Schritt 806 durch X = 1 – R_avgτ ersetzt. In Schritt 808 wird X auf der Grundlage von τ gemäß der folgenden Gleichung berechnet: X = 1-Ravgτ (52)wobei ein grundlegender Algorithmus der kleinsten Fehlerquadrate realisiert wird, um τ auf der Grundlage des verringerten ARMA aus Gleichung 50 zu bestimmen. In Schritt 810 wird die auf der Grundlage von CINJ und der Null-Anfangsbedingung für y(k) die NFD-Funktion in der Vorwärtsrichtung (d. h. nicht invertiert) simuliert.
In Schritt 812 wird für die Zyklen 1 bis 20 die simulierte MBFM erhalten und wird aus den Zyklen 3 bis 20 der mittlere quadratische Fehler (MSE) zwischen der simulierten MBFM und der tatsächlichen MBFM bestimmt. In Schritt 814 wird bestimmt, ob der MSE kleiner als ein vorgegebener Schwellenwert (MSE_THR) ist. Falls der MSE nicht kleiner als MSE_THR ist, werden in Schritt 816 γ(ECT), τ und X alle aktualisiert und wird die Steuerung zu Schritt 802 zurückgeschleift. Falls der MSE kleiner als MSE_THR ist, werden die Werte von γ(ECT), τ und X in Schritt 818 zurückgegeben, wobei die Optimierung für die besondere ECT endet. Der Optimierungsprozess wird für jeden ECT-Wert wiederholt.
Die UFF-Korrekturanforderung für die RINJ im Zyklus 1 für jeden Zylinder ist vom Zyklus 2 an und von da an weiter verschieden. Somit wird im Zyklus 1 ein freier Parameter in der UFF-Funktion (UFF(1)) spezifiziert und eine Optimierung zum Identifizieren des Parameters ausgeführt. UFF(1) wird nur für die RINJ-Korrektur im Zyklus 1 angewendet. Dementsprechend wird der Parameter UFF(1) ebenfalls nur in der Kraftstoffdynamiksteuerung im Zyklus 1 verwendet. Die folgenden zwei Gleichungen fassen die obige Einstellung in der UFF-Funktions-Formulierung zusammen: CINJ (k = 1) = UFF(1)RINJ (k =1) (53)
Ferner wird erwartet, dass ein zweites Schema realisiert werden kann, um γ(ECT) und UFF gleichzeitig zu kalibrieren. Zur Steuerungsrealisierung erfolgt die Wahl, welche Kalibrierung zu verwenden ist (d. h. zwischen γ(ECT) oder γ(ECT) und UFF), auf der Grundlage des ungünstigsten Falls des Motorstartszenariums. Zum Beispiel wird für Inline-4-Zylinder-Motoren das Schema mit gleichzeitigem γ(ECT) und UFF bevorzugt. Für V-8-Motoren wird wegen der größeren Trägheit wegen der verringerten RPM-Fluktuationen während magerer Starts das einzelne γ(ECT) bevorzugt.
Unter Verwendung der oben beschriebenen Prozedur wird eine Familie von NFD-Modellen erzeugt. Um das Steuermodul gemäß ECT-Werten zu planen, wird ein lineares Interpolationsverfahren verwendet. Genauer werden die Parameter α₀, α₁ und β₁ unter normalen Motorstarts durch RPM und MAP leicht beeinflusst. Allerdings kann sich unter anomalen Motorstarts wegen der unzureichenden Genauigkeit der MAP- und RPM-Vorhersagen eine ungeeignete Kraftstoffdynamikkompensation ergeben. Somit sind die Parameter α₀, α₁ und β₁ Funktionen allein der ECT. Auf der Grundlage der Einheitsgewinneigenschaft der NFD brauchen auf der Grundlage der ECT nur zwei Parameter (z. B. β₁ und α₀) geplant zu werden. α₁ wird auf der Grundlage von β₁ und α₀ berechnet. Das geplante NFD-Modell mit linearer ECT wird invertiert, um:
zu liefern, wobei γ(k) die gewünschte Masse des im Zylinder verbrannten Kraftstoffs (d. h. CINJ) ist.
Die aus der oben beschriebenen Optimierungsroutine erhaltenen Werte von γ(ECT) werden interpoliert, um über den Bereich der ECTs eine kontinuierliche Funktion zu bilden. Genauer wird zur Planung von γ(ECT) ein stückweise lineares Interpolationsverfahren verwendet. In der graphischen Darstellung aus 7 ist ein Beispiel der Planung gezeigt, das auf einem linearen Interpolationsverfahren beruht.
Nunmehr anhand von 9 ist die Grundcharakteristik der Vorwärts-UFF-Funktion (d. h. der nicht invertierten UFF-Funktion) für eine feste ECT veranschaulicht. Außer der Wirkung verringerter Rückführung gibt es eine Wirkung inhärenter Sättigung. Genauer können einige Werte der CINJ innerhalb eines sinnvollen Bereichs keine entsprechende RINJ umfassen. Die hier beschriebene Übergangskraftstoffsteuerung invertiert die UFF-Funktion. Zum Invertieren der Vorwärts-UFF-Funktion wird eine Technik linearer Splines realisiert und eine neue Variable als:
definiert. Das Inversionsproblem der Vorwärts-UFF-Funktion reduziert sich auf die folgende Gleichung:
Die Technik linearer Splines wird auf die Gleichung 57 angewendet, wobei die folgende Beziehung erhalten werden kann: RINJ(k) = LSP(CINJ_D_UFF20(k), ECT) (58)wobei LSP die Näherung durch lineare Splines bezeichnet.
In der Steuerungsberechnung unter Verwendung der durch lineare Splines angenäherten inversen UFF-Funktion wird eine Zweischrittprozedur verwendet. Genauer wird, nachdem unter Verwendung der NFD-Funktion CINJ(k) berechnet worden ist, die Regressionsfunktion UFF₂₀(ECT) verwendet, um CINJ_D_UFF₂₀(k) wie folgt zu berechnen:
Nachfolgend wird die oben diskutierte Näherung linearer Splines für die inverse UFF-Funktion verwendet, um RINJ(k) wie folgt zu erhalten: RINJ(k) = LSP(CINJ_D_UFF20(k), ECT) (60)
Nunmehr anhand der 10 und 11 wird die inverse UFF-Funktion als eine statische Zwei-Eingaben-Eine-Ausgabe-Abbildung betrachtet, die unter Verwendung der Technik linearer Splines genähert wird. Da das vollständige Bild der RINJ in der Näherung der inversen UFF-Funktion nicht erreicht werden kann, wenn CINJ ausreichend groß ist, werden Sättigungsgrenzwerte an RINJ eingeführt, um bei jeder festen ECT eine eineindeutige Abbildung zwischen CINJ und RINJ zu realisieren. Diese Sonderbehandlung ist in den 10 und 11 gezeigt, wo 10 den Empfindlichkeitseffekt zusammenfasst und 11 die Realisierung eines Sättigungsgrenzwerts angibt. Zusätzlich dazu, dass innerhalb eines sinnvollen Bereichs von CINJ und RINJ eine eineindeutige Abbildung für die Näherung der inversen UFF-Funktion realisiert wird, verringert die Realisierung eines Sättigungsgrenzwerts die Empfindlichkeit für die Kraftstoffsteuerung im Fall eines mageren Motorstarts.
Der Sättigungsgrenzwert wird dadurch bestimmt, dass zugelassen wird, dass RINJ(k) in der Weise zunimmt, dass CINJ_D_UFF₂₀(k) bei jedem gegebenen γ(ECT) gemäß der folgenden Gleichung:
nahe dem Sättigungsgrenzwert ist. Ein Beispiel eines Werts von RINJ(k), der ausreicht, um den Sättigungsgrenzwert zu erreichen, ist RINJ(k) = 4·γ(ECT), wobei in diesem Fall Folgendes gegeben ist:
Es wird ein Wert von RINJ(k) bestimmt, der 90 % von CINJ_D_UFF₂₀(k) entspricht. Zweckmäßigkeitshalber werden die entsprechenden Werte von RINJ(k) und CINJ_D_UFF₂₀(k) hier als RINJ^90% bzw. CINJ_D_UFF₂₀ ^90% bezeichnet. Es werden Datenpaare derart erzeugt, dass dann, wenn CINJ_D_UFF₂₀(k) ≥ CINJ_D_UFF₂₀ ^90% ist, RINJ(k) bei dem Wert von RINJ^90% abgeschnitten oder auf andere Weise begrenzt wird. Das Datenpaar wird verwendet, um für verschiedene Werte von ECT aus Gleichung 60 die Näherungsfunktion der linearen Splines zu konstruieren.
Für den Fachmann auf dem Gebiet ist aus der vorstehenden Beschreibung nun klar, dass die umfassenden Lehren der vorliegenden Erfindung in einer Vielzahl von Formen realisiert werden können. Obgleich diese Erfindung in Verbindung mit besonderen Beispielen davon beschrieben worden ist, soll der wahre Umfang der Erfindung somit nicht darauf beschränkt sein, da für den erfahrenen Praktiker beim Studium der Zeichnungen, der Beschreibung und der folgenden Ansprüche weitere Änderungen offensichtlich sind.

Claims

Kraftstoffsteuersystem zum Regulieren des Kraftstoffs zu den Zylindern einer Brennkraftmaschine während eines Motorstarts und eines Anlassen-zum-Lauf-Übergangs, wobei das Kraftstoffsteuersystem umfasst: ein erstes Modul, das auf der Grundlage eines Modells des Bruchteils des genutzten Kraftstoffs (UFF-Modells) und eines Modells der Nennkraftstoffdynamik (NFD-Modells) eine Masse des unverbrannt eingespritzten Kraftstoffs bestimmt; und ein zweites Modul, das die Kraftstoffversorgung zu einem Zylinder des Motors bis zu einem Verbrennungsereignis des Zylinders auf der Grundlage der Masse des unverbrannt eingespritzten Kraftstoffs reguliert; wobei sowohl das UFF- als auch das NFD-Modell auf der Grundlage von Daten von mehreren Teststarts kalibriert wird, die auf einem vordefinierten Testplan beruhen.
Kraftstoffsteuersystem nach Anspruch 1, bei dem die Kalibrierung des UFF- und des NFD-Modells gleichzeitig stattfindet.
Kraftstoffsteuersystem nach Anspruch 1, bei dem ein drittes Modul über eine vordefinierte Anzahl von Motorzyklen eine durchschnittliche Masse des unverbrannt eingespritzten Kraftstoffs und eine durchschnittliche gemessene Masse des verbrannten Kraftstoffs bestimmt.
Kraftstoffsteuersystem nach Anspruch 3, bei dem das UFF-Modell auf der Grundlage der durchschnittlichen Masse des unverbrannt eingespritzten Kraftstoffs und der durchschnittlichen gemessenen Masse des verbrannten Kraftstoffs kalibriert wird.
Kraftstoffsteuersystem nach Anspruch 3, bei dem die durchschnittliche Masse des unverbrannt eingespritzten Kraftstoffs und die durchschnittliche gemessene Masse des verbrannten Kraftstoffs bei mehreren Motorkühlmitteltemperaturen bestimmt werden.
Kraftstoffsteuersystem nach Anspruch 1, bei dem das dritte Modul das NFD-Modell und einen Formungsparameter bei festen Motorkühlmitteltemperatur-Intervallen kalibriert.
Kraftstoffsteuersystem nach Anspruch 6, bei dem der Formungsparameter auf der Grundlage eines Anfangsformungsparameterwerts, einer korrigierten Kraftstoffmasse, eines UFF-Werts und einer Masse des unverbrannt eingespritzten Kraftstoffs kalibriert wird.
Kraftstoffsteuersystem nach Anspruch 6, bei dem der Formungsparameter auf der Grundlage einer Verdampfungsrate und eines gemittelten Verhältnisses, das auf der Grundlage einer korrigierten Kraftstoffmasse und einer gemessenen Masse des verbrannten Kraftstoffs über eine vordefinierte Anzahl von Motorzyklen bestimmt wird, kalibriert wird.
Verfahren zum Kalibrieren von Modellen, die durch ein Kraftstoffsteuersystem verarbeitet werden, das während eines Motorstarts und eines Anlassen-zum-Lauf-Übergangs den Kraftstoff zu den Zylindern einer Brennkraftmaschine reguliert, wobei das Verfahren umfasst: Bestimmen einer Masse des unverbrannt eingespritzten Kraftstoffs auf der Grundlage eines Modells des Bruchteils des genutzten Kraftstoffs (UFF-Modells) und eines Modells der Nennkraftstoffdynamik (NFD-Modells); Ausführen einer vordefinierten Anzahl von Motorstarts auf der Grundlage eines vordefinierten Testplans; Regulieren der Kraftstoffversorgung zu einem Zylinder des Motors während jedes der Motorstarts auf der Grundlage der Masse des unverbrannt eingespritzten Kraftstoffs bis zu einem Verbrennungsereignis des Zylinders, wobei sowohl das UFF- als auch das NFD-Modell auf der Grundlage von Daten von den Motorstarts kalibriert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Kalibrierung des UFF- und des NFD-Modells gleichzeitig stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 9, das ferner das Bestimmen einer durchschnittlichen Masse des unverbrannt eingespritzten Kraftstoffs und einer durchschnittlichen gemessenen Masse des verbrannten Kraftstoffs über eine vordefinierte Anzahl von Motorzyklen jedes der Motorstarts umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das UFF-Modell auf der Grundlage der durchschnittlichen Masse des unverbrannt eingespritzten Kraftstoffs und der durchschnittlichen gemessenen Masse des verbrannten Kraftstoffs kalibriert wird.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die durchschnittliche Masse des unverbrannt eingespritzten Kraftstoffs und die durchschnittliche gemessene Masse des verbrannten Kraftstoffs bei mehreren Motorkühlmitteltemperaturen bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 9, das ferner das Kalibrieren des NFD-Modells und eines Formungsparameters bei festen Motorkühlmitteltemperatur-Intervallen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem der Formungsparameter auf der Grundlage eines Anfangsformungsparameterwerts, einer korrigierten Kraftstoffmasse, eines UFF-Werts und einer Masse des unverbrannt eingespritzten Kraftstoffs kalibriert wird.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem der Formungsparameter auf der Grundlage einer Verdampfungsrate und eines gemittelten Verhältnisses, das auf der Grundlage einer korrigierten Kraftstoffmasse und einer gemessenen Masse des verbrannten Kraftstoffs über eine vordefinierte Anzahl von Motorzyklen bestimmt wird, kalibriert wird.
Verfahren zum Kalibrieren eines Kraftstoffsteuersystems, das während Motorstartübergängen den Kraftstoff zu den Zylindern einer Brennkraftmaschine reguliert, wobei das Verfahren umfasst: Ausführen einer vordefinierten Anzahl von Motorstarts bei mehreren Motorkühlmitteltemperaturen auf der Grundlage eines vordefinierten Testplans; Bestimmen einer Masse des unverbrannt eingespritzten Kraftstoffs auf der Grundlage eines Modells des genutzten Kraftstoffanteils (UFF-Modells) und eines Modells der Nennkraftstoffdynamik (NFD-Modells); Regulieren der Kraftstoffversorgung zu einem Zylinder des Motors während jedes der Motorstarts auf der Grundlage der Masse des unverbrannt eingespritzten Kraftstoffs bis zu einem Verbrennungsereignis des Zylinders; und Kalibrieren sowohl des UFF- als auch des NFD-Modells auf der Grundlage von Daten von den Motorstarts.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem die Kalibrierung des UFF- und des NFD-Modells gleichzeitig stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 17, das ferner das Bestimmen einer durchschnittlichen Masse des unverbrannt eingespritzten Kraftstoffs und einer durchschnittlichen gemessenen Masse des verbrannten Kraftstoffs über eine vordefinierte Anzahl von Motorzyklen jedes der Motorstarts umfasst.
Verfahren nach Anspruch 19, bei dem das UFF-Modell auf der Grundlage der durchschnittlichen Masse des unverbrannt eingespritzten Kraftstoffs und der durchschnittlichen gemessenen Masse des verbrannten Kraftstoffs kalibriert wird.
Verfahren nach Anspruch 19, bei dem die durchschnittliche Masse des unverbrannt eingespritzten Kraftstoffs und die durchschnittliche gemessene Masse des verbrannten Kraftstoffs auf der Grundlage jeder der mehreren Motorkühlmitteltemperaturen bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 17, das ferner das Kalibrieren des NFD-Modells und eines Formungsparameters bei festen Motorkühlmitteltemperatur-Intervallen. umfasst.
Verfahren nach Anspruch 22, bei dem der Formungsparameter auf der Grundlage eines Anfangsformungsparameterwerts, einer korrigierten Kraftstoffmasse, eines UFF-Werts und einer Masse des unverbrannt eingespritzten Kraftstoffs kalibriert wird.
Verfahren nach Anspruch 22, bei dem der Formungsparameter auf der Grundlage einer Verdampfungsrate und eines gemittelten Verhältnisses, das auf der Grundlage einer korrigierten Kraftstoffmasse und einer gemessenen Masse des verbrannten Kraftstoffs über eine vordefinierte Anzahl von Motorzyklen bestimmt wird, kalibriert wird.