-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Korrektur von Sollwert-Abweichungen der in einem Verbrennungsmotor
eingespritzten Kraftstoffmenge.
-
Abweichungen
der im Verbrennungsmotor eingespritzten Kraftstoffmenge vom Sollwert
(auch: "drifts") sind nicht nur
für das
vom Fahrer wahrgenommene Fahrverhalten von Bedeutung, sondern sie
spielen auch bei der Emissionsregelung und der Einhaltung der gesetzlich
vorgegebenen Grenzwerte eine große Rolle.
-
Die
Fertigungstoleranzen der einzelnen Bauteile eines jeden Fahrzeuges
machen es erforderlich, dass in der Fertigungsstraße eine
exakte quantitative Analyse des Einspritzverhaltens erfolgt, wobei
die Ergebnisse dieser Analyse dann in eine entsprechende Einspritzstrategie
zur individuellen Kalibrierung des Einspritzsystems umgesetzt werden.
Außerdem
ist bei einem auf Teillast begrenzten Betrieb des Verbrennungsmotors
in einem ausgeprägt
transienten Zustand die Sollwert-Abweichung
bzw. der Drift in der eingespritzten Kraftstoffmenge wesentlich
stärker
als bei einem Betrieb im Bereich mittlerer bis voller Last. Dies
ist im Wesentlichen auf Verschmutzungen der Einspritzdüse durch
Rußablagerungen
zurückzuführen, welche
darauf beruhen, dass die Gültigkeit
der nominellen, für
den Gleichgewichtszustand vorgenommenen Kalibrierung im Luftströmungsweg
in einem hochgradig transienten Betrieb unter Teillast nicht gewährleistet
ist. Sobald der Motor im Bereich mittlerer bis voller Last betrieben
wird (sog. "Burn-Out-Phase"), werden diese Ablagerungen verbrannt,
und die starke Kraftstoffströmung
ermöglicht
eine Selbstreinigung des Einspritzsystems.
-
Über größere Zeiträume führen auch
Materialverschleiß und
Ermüdungseffekte
im Einspritzsystem zu permanenten und zu korrigierenden Sollwert-Abweichungen
der eingespritzten Kraftstoffmenge.
-
Herkömmlicherweise
wird bei einer Korrektur der Kraftstoffzufuhr zwischen einer quantitativ
geringfügigen
und einer quantitativ ausgeprägten
Korrektur unterschieden. Die quantitativ geringfügige Korrektur ist bei der
Voreinspritzung erforderlich, welche sowohl für das Geräuschverhalten des Verbrennungsmotors
als auch für
die Qualität
der Verbrennung bei der anschließenden Haupteinspritzung ausschlaggebend
ist. Die quantitativ ausgeprägte
Korrektur ist hauptsächlich
für die
Emissionsregelung erforderlich, da Sollwert-Abweichungen in der
eingespritzten Kraftstoffmenge typischerweise bei der Einstellung
des Luftströmungsweges
(abgebildet über
die Motordrehzahl und den Sollwert entweder der gesamten Kraftstoffmenge
oder des Drehmoments) nicht berücksichtigt
werden.
-
Für die quantitativ
geringfügige
Korrektur wird eine Voreinspritzmenge während eines Verzögerungsvorgangs
in einen oder in mehrere Zylinder eingespritzt. Das erzeugte Drehmoment
(welches aus der gemessenen Beschleunigung der Motordrehzahl abgeschätzt wird)
wird verwendet, um die gewünschte
quantitativ geringfügige
Korrektur der Kraftstoffzufuhr durchzuführen. Bei der quantitativ ausgeprägten Korrektur
wird ein breitbandiger Lambda-Sensor verwendet, um den Lambda-Wert (= Luft-Kraftstoff-Verhältnis) zu
erfassen und in Rückkopplung
die eingespritzte Kraftstoffmenge (und/oder die Einstellung des
Luftströmungsweges)
zu korrigieren, damit die gewünschte
Luft-Kraftstoff-Mischung wie bei der Kalibrierung im nominellen
Gleichgewichtszustand erzielt wird.
-
Die
gegenwärtigen
Ansätze
zur Berechnung von Sollwert-Abweichungen in der eingespritzten Kraftstoffmenge
werden jeweils nur in einem spezifischen Betriebszustand angewandt,
wobei für
eine robuste Abschätzung
die Berücksichtigung
zeitlicher Schwellenwerte und/oder eine Tiefpaßfilterung erforderlich ist.
Die Beschränkung
des Korrekturalgorithmus auf diese Grenzwerte kann zu einem Verlust
wertvoller Informationen unter anderen Betriebszuständen und
zu unnötigen
Zeitverzögerungen
vor Durchführung
einer Korrektur führen.
Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn eine solche Korrektur
in einem hochgradig transienten Zustand erfolgen soll.
-
Aus
DE 103 56 478 A1 ist
eine Anpassungswerterzeugungsvorrichtung zur Erzeugung eines Anpassungswerts
zum Steuern eines Objekts (z.B. Fahrzeugmotor) unter einer vorbestimmten
Steuerbedingung (z.B. einer Betriebsbedingung des Fahrzeugmotors)
bekannt, wobei insbesondere ein sogenanntes DOE-Hilfsprogramm verwendet wird, welches
Messdaten empfängt
und einen Näherungsausdruck
auf der Grundlage einer Näherungsfunktion
erzeugt, wobei das DOE-Hilfsprogramm z.B. unter Anwendung des Verfahrens
der kleinsten Quadrate einen statistischen Prozess mit den Messdaten
ausführt
und Parameter der Näherungsfunktion
bestimmt. Das DOE-Hilfsprogramm vergleicht die unter Verwendung
des Näherungsausdrucks
berechneten Daten mit Messdaten, erfasst anormale Daten und schließt die anormalen
Daten aus.
-
Aus
DE 102 44 539 A1 sind
u.a. ein Verfahren und eine Steuereinheit zur globaladaptiven Korrektur von
Einspritzmengen in einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei insbesondere
die genaue Menge des eingespritzten Kraftstoffes aus der der Brennkraftmaschine
zugeführten
Luftmasse und dem Sauerstoffgehalt im Abgas bestimmt wird. Dabei
wird der Korrekturfaktor als Differenz oder Quotient zwischen einer
Soll-Einspritzmenge und der tatsächlich
eingespritzten Kraftstoffmenge gebildet. Dabei wird ein Mengenregelkreis
mittels eines rekursiven Lernverfahrens betrieben, für welches
die rekursive Parameterschätzmethode
der kleinsten Fehlerquadrate verwendet wird.
-
Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Korrektur von Sollwert-Abweichungen der in einem Verbrennungsmotor
eingespritzten Kraftstoffmenge bereitzustellen, durch das bzw. bei
der die obigen Nachteile vermieden werden. Insbesondere werden durch
die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung geschaffen,
welche die zuverlässige
Abschätzung
und Korrektur von Sollwert-Abweichungen der in einem Verbrennungsmotor
eingespritzten Kraftstoffmenge unter Vermeidung zeitlicher Verzögerungen
ermöglichen.
-
Diese
Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1
bzw. die Vorrichtung gemäß den Merkmalen
des unabhängigen
Patentanspruchs 6 gelöst.
-
Ein
erfindungsgemäßes Verfahren
zur Korrektur von Sollwert-Abweichungen der in einem Verbrennungsmotor
eingespritzten Kraftstoffmenge weist folgende Schritte auf:
- – Ermitteln,
zu einer Mehrzahl von Zeitpunkten, jeweils eines Wertepaares bestehend
aus einem Sollwert der eingespritzten Kraftstoffmenge und einem
berechneten Wert für
die tatsächlich
eingespritzte Kraftstoffmenge, wobei der berechnete Wert anhand
von anderen Messgrößen berechnet
wird;
- – Berechnen,
aufgrund der ermittelten Wertepaare, eines Kennwertes zur Charakterisierung
einer Sollwert-Abweichung der in dem Verbrennungsmotor eingespritzten
Kraftstoffmenge unter Anwendung der Fehlerquadratmethode; und
- – Korrigieren
der Sollwert-Abweichung auf Basis des Kennwertes,
- – wobei
für den
Fall, dass ein unter Anwendung der Fehlerquadratmethode erhaltener
R2-Wert (= Bestimmtheitsmaß) einen
vorbestimmten Schwellenwert unterschreitet, das Betriebsverhalten
der Einspritzvorrichtung als fehlerhaft eingestuft und dem Fahrer
die Notwendigkeit einer Abbrennphase und/oder eines Austauschs der
Einspritzvorrichtung signalisiert wird.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird die Fehlerquadratmethode angewandt, um mittels Minimierung
des quadratischen Abschätzungsfehlers
eine optimale Anpassung („Fit") für den funktionellen
Zusammenhang zwischen Sollwert und berechnetem Wert der eingespritzten
Kraftstoffmenge zu ermitteln, wobei der berechnete Wert mfex aus dem im Abgasstrom gemessenen Lambda-Wert,
der vorzugsweise unter Verwendung eines MAF-Sensors gemessenen Luftmassenströmung und
dem stöchiometrischen
Luft-Kraftstoff-Verhältnis
berechnet wird.
-
Auf
diese Weise wird ein für
die Sollwert-Abweichung der eingespritzten Kraftstoffmenge charakteristischer
Kennwert ermittelt, wobei dieser Kennwert auf Basis von n Wertepaaren
(mf
in, mf
ex) als
berechnete Steigung ("slope") d(mf
in)/d(mf
ex) gegeben ist durch:
-
Somit
dient bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
die Steigung d(mfin)/d(mfex)
(in der weiteren Beschreibung ist diese Größe auch mit "mfin_2_mfex" oder
als "Einspritzfaktor" bezeichnet) als
Kennwert, der für Sollwert-Abweichungen
der eingespritzten Kraftstoffmenge charakteristisch ist, wobei der
nominelle Zustand (d.h. der Zustand ohne Sollwert-Abweichung bzw.
Drift) einem Kennwert bzw. Einspritzfaktor von Eins entspricht.
-
Erfindungsgemäß wird ein
rekursiver Ansatz zur Berechnung der Steigung d(mf
in)/d(mf
ex) verwendet, wobei für eine Anwendung der Fehlerquadratmethode
zum Zeitpunkt k die Summen
der vorhergehenden n Zeitpunkte
gespeichert werden.
-
Der
aus dem berechneten Einspritzfaktor und den n Wertepaaren (mfin, mfex) berechnete
R2-Wert (= Bestimmtheitsmaß bei der
Anwendung der Fehlerquadratmethode) für den mit Anwendung der Fehlerquadratmethode
durchgeführten
Fit wird als charakteristischer Wert für das Betriebsverhalten der
Einspritzvorrichtung verwendet bzw. ausgewertet. Dabei kann z.B.
für einen
R2-Wert nahe bei Eins (R2 ≈ 1) die Sollwert-Abweichung
der eingespritzten Kraftstoffmenge unter Verwendung des gemessenen
Einspritzfaktors korrigiert werden, wohingegen für R2-Werte unterhalb eines
vorbestimmten Schwellenwertes (z.B. 0,85) das Betriebsverhalten
der Einspritzvorrichtung als fehlerhaft und nicht kompensierbar
beurteilt wird. Im letzteren Falle wird dem Fahrer die Notwendigkeit
einer Abbrennphase, die z.B. durch Fahren unter hoher Last für eine zur
Selbstreinigung erforderliche Mindestdauer eingeleitet werden kann,
signalisiert, und/oder es wird die Notwendigkeit eines Austausches
der Hardware (Einspritzvorrichtung) signalisiert, wenn nach der
Reinigung der berechnete Einspritzfaktor und der aktualisierte R2-Wert sich immer noch nicht innerhalb der
vorgeschriebenen Grenzwerte befinden. Alternativ zu einer Speicherung
der n Wertepaare (mfin, mfex)
zur Berechnung des R2-Wertes kann auch der
zuletzt mit den gegenwärtig
vorliegenden n Wertepaaren aktualisierte Einspritzfaktor zur laufenden Berechnung
des R2-Wertes verwendet werden.
-
Die
Robustheit der Abschätzung
ist von der Anzahl der bei der Abschätzung verwendeten Wertepaare (mfin, mfex) sowie von
dem durchlaufenen Wertebereich der eingespritzten Kraftstoffmenge
(mf), abhängig, wobei für einen
größeren durchlaufenen
Wertebereich der eingespritzten Kraftstoffmenge (mf)
eine geringere Anzahl von Wertepaaren erforderlich ist. Über die
erfindungsgemäße Minimierung
der Summe der Fehlerquadrate wird die Einbeziehung einer Filterung
bei dem erfindungsgemäßen Ansatz
gewährleistet.
-
Bei
der erfindungsgemäßen Abschätzung wird
eine lineare Abhängigkeit
zwischen den Größen mfin und mfex zugrunde
gelegt, wobei die betreffende, die lineare Funktion beschreibende
Gerade durch den Ursprung verläuft.
Insofern ist es vorteilhaft, wenn die Aktivierung bzw. Freigabe
dieser Berechnung, d.h. die Akzeptanz des Wertepaares (mfin, mfex) bei der
Fehlerquadratmethode auf den Bereich beschränkt ist, in dem eine lineare
Abhängigkeit
vorliegt. Darüber
hinaus ist es zur Gewährleistung
einer hinreichenden Genauigkeit der verwendeten Meßwerte bei
der Abschätzung
bzw. dem Fit vorteilhaft, wenn Wertebereiche ausgeschlossen (d.h.
nicht berücksichtigt)
werden, in denen der Meßfehler
des Lambda-Wertes oder des MAF-Sensorsignals groß ist. Darüber hinaus wird angenommen,
dass der Kraftstoffgehalt in der Ölverdünnung Null beträgt, was
für einen
großen
Bereich von Betriebszuständen
des Verbrennungsmotors im mageren Betrieb (keine Nach-Einspritzung)
gegeben ist.
-
Die
Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Korrektur von Sollwert-Abweichungen der
in einem Verbrennungsmotor eingespritzten Kraftstoffmenge, welche
dahingehend ausgebildet ist, ein Verfahren mit den vorstehend beschriebenen
Merkmalen auszuführen.
-
Weitere
Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu
entnehmen.
-
Die
Erfindung wird nachstehend anhand einer bevorzugten Ausführungsform
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Abbildungen erläutert.
Es zeigen:
-
1 ein
schematisches Blockdiagramm zur Veranschaulichung der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Berechnung des Einspritzfaktors verwendeten Module;
-
2 ein Übersichtsdiagramm
zur Veranschaulichung der Berechnung des Einspritzfaktors gemäß der vorliegenden
Erfindung;
-
3 ein
Diagramm zur Erläuterung
der Berechnung eines Identifizierungssignals für eine Freigabe der erfindungsgemäßen Überwachung
bzw. Abschätzung
in Abhängigkeit
von Abweichungen des Ladedrucks, der Luftmassenströmung und
des Rail-Druckes;
-
4 ein
Diagramm zur Erläuterung
der Berechnung eines Identifizierungssignals lg_trans_ena_mon, welches
während
eines ausgeprägt
transienten Betriebes auf "falsch" gesetzt wird;
-
5 ein
Diagramm zur Erläuterung
der Berechnung eines Identifizierungssignals lg_opr_cndn_ena_mon,
welches angibt, ob sich der Betriebsmodus des Verbrennungsmotors,
der Betriebszustand des Fahrzeugs und der Kraftstoffstrom jeweils
in vorbestimmten Bereichen befinden,
-
6 ein
Diagramm zur Erläuterung
zur Berechnung des Einspritzfaktors mittels der Fehlerquadratmethode,
-
7–8 Fits
für eine
nominelle Einspritzvorrichtung (7) bzw.
für zwei
unterschiedliche Klassen von Einspritzvorrichtungen (8a und 8b)
gemäß Anwendung
des erfindungsgemäßen Verfahrens;
und
-
9a–d
Diagramme zur Berechnung des Einspritzfaktors einer Einspritzvorrichtung
bei einem Kilometerstand von 10.000 km (9a–b) bzw.
55.000 km (9c–d).
-
1 zeigt
ein schematisches Diagramm, in welchem bei der Implementierung der
erfindungsgemäßen Strategie
verwendete Module 10 bis 40 dargestellt sind.
Die Module 10 (= opr_cndn_ena_mon), 20 (= ctrl_ena_mon)
und 30 (= trans_ena_mon) werden für die Berechnung bzw. Bestimmung
verwendet, ob ein Wertepaar (mfin, mfex) bei der Anwendung der Fehlerquadratmethode
berücksichtigt
wird oder nicht. Dabei entspricht der nominelle Zustand (d.h. der
Zustand ohne Sollwert-Abweichung bzw. Drift) einem Wert des Einspritzfaktors
von Eins. Das eigentliche Modul calc_inj_gain zur Berechnung des
Einspritzfaktors ist mit dem Bezugszeichen 40 bezeichnet.
-
Dieses
Modul 40 (= calc_inj_gain) ist in 2 in Form
eines Übersichtsdiagramms
zur Veranschaulichung der erfindungsgemäßen Berechnung des Einspritzfaktors
dargestellt. Dabei erfolgt die Berechnung in dem Modul 40 nur
bei entsprechender Freigabe über
ein logisches Identifizierungssignal lg_enable, welches nur dann
auf "Wahr" gesetzt wird, wenn
auch von den o. g. Modulen 10 bis 30 erzeugte
Identifizierungssignale 31 (= lg_trans_ena_mon), 11 (=
lg_opr_cndn_ena_mon) und 21 (= lg_ctrl_ena_mon) auf "Wahr" gesetzt sind, wie
durch entsprechende UND-Glieder 15 und 25 gewährleistet
wird.
-
Gemäß 3 wird
das Modul 20 (= ctrl_ena_mon) verwendet, um das logische
Identifizierungssignal 21 (= lg_ctrl_ena_mon) für eine Aktivierung
bzw. Freigabe der Überwachung
bzw. der Durchführung
der erfindungsgemäßen Abschätzung zu berechnen,
wobei dieses Identifizierungssignal nur bei hinreichend geringen Abweichungen
des Ladedrucks (DevPman), der Luftmassenströmung (DevMair) und des Rail-Druck
(DevPRailPress) auf "Wahr" gesetzt wird, wie
durch das UND-Glied 26 gewährleistet
wird. Zusätzlich
zeigt vorzugsweise noch eine bordseitige Diagnose-Überwachungseinrichtung
für den
oder die Sensoren/Aktoren einen fehlerfreien Betrieb und ein plausibles
Betriebsverhalten für
die jeweiligen Regelungsschleifen an.
-
Gemäß 4 wird
das Modul. 30 (= trans_ena_mon) zur Berechnung des logischen
Identifizierungssignals 31 (= lg_trans_ena_mon) verwendet.
Dieses Identifizierungssignal 31 wird während eines ausgeprägt transienten
Betriebs -gemäß Berechnung
mittels eines auf den Sollwert der Kraftstoffmenge (mfuel_kgph = mfin) angewandten Hochpaßfilters 32 – auf "falsch" gesetzt,.
-
Gemäß 5 wird
das Identifizierungssignal 11 (= lg_opr_cndn_ena_mon) bezüglich des
Betriebszustandes in Abhängigkeit
von dem Betriebsmodus des Verbrennungsmotors, des Betriebszustandes
des Fahrzeugs und des Kraftstoffstroms, berechnet. Dabei wird das
Identifizierungssignal 11 nur dann auf "Wahr" gesetzt,
wenn ein magerer Betrieb ("LeanMode") für Null-Ölverdünnung vorliegt,
wenn der Kraftstoffstrom (= mfuel_kgph) in einem vorbestimmten,
definierten Bereich liegt und wenn sich das Fahrzeug nicht im Leerlauf befindet,
wie durch entsprechende UND-Glieder 12, 13 und 14 gewährleistet
wird, Die Berechnung des Einspritzfaktors wird gemäß 6 unter
Anwendung der bereits zuvor erläuterten
Fehlerquadratmethode durchgeführt.
Die Aktualisierung des Signals (bei welcher das Ergebnis des Fits
mittels der Fehlerquadratmethode zur Aktualisierung des Signals
mfin_2_mfex und
zum Beginn einer neuen Fit-Periode verwendet wird) erfolgt in Abhängigkeit
entweder von der maximalen Anzahl von in dem rekursiven Fit verwendeten
Meßwerten
oder einer minimalen Anzahl von Meßwerten und bis zur Abdeckung
eines vorbestimmten mfex-Bereichs, d.h.
bis zur Abdeckung eines vorbestimmten Wertebereichs der eingespritzten
Kraftstoffmenge.
-
Der
obige Algorithmus kann separat sowohl für eine quantitativ geringfügige Korrektur
als auch für
eine quantitativ ausgeprägte
Korrektur angewandt werden, wobei für die quantitativ geringfügige Korrektur
die Freigabe der Berechnung mittels der Fehlerquadratmethode auf
den betreffenden Betriebszustand (in den nur eine geringe Kraftstoffmenge
aktiv eingespritzt wird) beschränkt
ist.
-
In 7 ist
das Ergebnis eines Fits für
eine nominelle Einspritzvorrichtung über einen breiten Betriebsbereich
unter transienten Bedingungen dargestellt, wobei sich erwartungsgemäß ein Einspritzfaktor
nahe bei 1, nämlich
für das
gezeigte Beispiel ein Wert des Einspritzfaktors von 0,9982, ergibt.
-
8a und 8b zeigen
für zwei
unterschiedliche Klassen von Einspritzvorrichtungen "A" und "B" jeweils
einen Fit für
den Einspritzfaktor. Es zeigt sich, dass die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
eine Unterscheidung zwischen den Klassen ermöglicht, wobei sich für Klasse
A ein Einspritzfaktor von 1,026 und für Klasse B ein Einspritzfaktor
von 1,042 ergibt. Ferner zeigt die über den R2-Wert von 0,9662 (8a) bzw. 0.9812 (8b)
beurteilte, hohe Qualität
der jeweiligen Fits, daß die
Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
für eine
Kompensation von Fertigungstoleranzen sowie Sollwert-Abweichungen
in einem breiten Betriebsbereich erfolgen kann.
-
In 9a–b
und 9c–d ist der errechnete Einspritzfaktor
für eine
Einspritzvorrichtung bei einem Kilometerstand bei 10.000 km und
bei einem Kilometerstand von 55.000 km dargestellt, wobei der errechnete Einspritzfaktor
etwa für
den Kilometerstand von 10.000 km etwa bei 1 liegt und für den Kilometerstand
von 55.000 km etwa 1,2 beträgt.