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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine
nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche
1 und 2.
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Stand der Technik
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Ein
solches Verfahren kommt bevorzugt bei Common-Rail-Systemen zum Einsatz.
Bei derartigen Common-Rail-Systemen wird die Kraftstoffeinspritzung
eines Zyklus in wenigstens eine erste Teileinspritzung, auch Voreinspritzung
genannt, und in wenigstens eine zweite Teileinspritzung, auch Haupteinspritzung
genannt, aufgeteilt. Durch diese Einspritzung entstehen Leitungsdruckschwingungen,
die sogenannten Druckwellen, die in systematischer Weise die Menge
nachfolgender Einspritzungen beeinflussen.
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Dieses
Schwingungsphänomen nimmt mit zunehmendem zeitlichen Abstand
zwischen den Einspritzungen ab. Der Einfluss auf die Menge der nachfolgenden
Einspritzungen nimmt also mit zunehmendem zeitlichen Abstand ebenfalls
ab und nähert sich für genügend lange
Abstände der ungestörten Menge an, die man mit
einer isolierten Einspritzung erhalten würde.
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Diese
Effekte sind systematischer Natur und hängen im Wesentlichen
von dem zeitlichen Abstand der beteiligten Einspritzungen, den eingespritzten
Mengen der beteiligten Einspritzungen, dem Druck des eingespritzten
Mediums, dem sogenannten Raildruck, und der Temperatur des eingespritzten
Mediums wie auch der Temperatur der Brennkraftmaschine bzw. der
Temperatur des den Kraftstoff einspritzenden Injektors ab.
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Als
Druckgröße wird bei einem Common-Rail-System vorzugsweise
der Raildruck verwendet. Als Kraftstoffmengengröße
kann eine Kraftstoffmenge, eine Ansteuerdauer für einen
entsprechenden Steller oder eine andere, die einzuspritzende Kraftstoffmenge
charakterisierende Größe verwendet werden.
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Ein
Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine,
bei der die Kraftstoffeinspritzung eines Zyklus in eine erste und
eine zweite Teileinspritzung aufgeteilt wird und bei der zur Vermeidung von
in Common-Rail-Systemen auftretenden Druckschwankungen die einzuspritzende
Kraftstoffmenge verringert wird, sind aus der
DE 10123 035 A1 bekannt.
Hierbei wird bei der zweiten Teileinspritzung eine Kraftstoffmengengröße,
welche die bei der zweiten Teileinspritzung eingespritzte Kraftstoffmenge
charakterisiert, abhängig von wenigstens einer Druckgröße,
die den Kraftstoffdruck charakterisiert, der Kraftstoffmengengröße und
wenigstens einer weiteren Größe korrigiert, beispielsweise
dem zeitlichen Abstand der beiden Einspritzungen und/oder auch der
Temperatur der eingespritzten Kraftstoffmenge. Durch dieses Verfahren
wird der Einfluss der Druckschwankungen auf die nachfolgende Teileinspritzung
wesentlich reduziert.
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Bei
dieser bekannten Druckwellenkorrektur wird der an einem Referenzsystem
gemessene Mengeneinfluss einer verursachenden Einspritzung auf die
nachfolgende Einspritzung in Kennfeldern abgelegt. Über eine
Korrekturmenge wird die Einspritzdauer der nachfolgenden Einspritzung
oder eine diese charakterisierende Größe verändert.
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Problematisch
ist nun, dass die funktionalen Zusammenhänge zwischen einer
den zeitlichen Abstand zwischen den benachbarten Einspritzungen
charakterisierenden Größe, den die Mengen der
beteiligten Einspritzungen charakterisierenden Größen,
einer den Druck des eingespritzten Mediums charakterisierenden Größe
sowie einer Temperatur des eingespritzten Fluids zwischen Rail und
Düse und der Ausgangsgröße, d. h. der
Korrekturmenge, trotz einer Systematik hochgradig komplex sind.
Es zeigen sich nämlich starke Wechselwirkungen zwischen
den Eingangsgrößen. Aus diesem Grunde müssen
bei dem beispielsweise aus der
DE 10123 035 A1 bekannten Verfahren deutliche
Vereinfachungen getroffen werden, beispielsweise eine Vernachlässigung
möglichst nicht signifikanter Abhängigkeiten zwischen
den Eingangsgrößen, um das Druckwellenphänomen
mit Hilfe weniger Kennfelder abbilden zu können. Aufgrund
dieser Vereinfachung wird die Korrekturgenauigkeit bereits aufgrund
der strukturimmanenten Vereinfachungen erheblich reduziert.
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Um
diesem Problem zu begegnen, geht aus der
DE 10 2005 001 428 A1 ein
Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine hervor, welches
dadurch gekennzeichnet ist, dass bei der zweiten Teileinspritzung eine
Kraftstoffmengengröße, welche die bei der zweiten
Teileinspritzung eingespritzte Korrektur-Kraftstoffmenge charakterisiert,
in Abhängigkeit von einer den zeitlichen Abstand der beiden
Einspritzungen charakterisierenden Größe, von
jeweils die eingespritzten Mengen charakterisierenden Größen
der aufeinanderfolgenden Einspritzungen, von einer den Kraftstoffdruck
charakterisierenden Größe und von einer die Temperatur
des eingespritzten Mediums charakterisierenden Größe
mittels eines neuronalen Netzwerks bestimmt wird.
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Durch
ein solches neuronales Netzwerk, welches die Systematik der Druckwellen/Mengenwellen
aus den Messungen zur Bedatung der Druckwellenkorrektur lernt (sogenannte
Lernmuster) ist es möglich, die Systematik der Druckwellen
vorgegebener Common-Rail-Systeme und die Abhängigkeiten
von den Eingangsgrößen ohne äußeres
Zutun in der Netzstruktur abzubilden. Auf diese Weise können
auch komplexe und verdeckte Zusammenhänge aus den vorgegebenen
Lernmustern erkannt und in der Netzstruktur abgelegt werden.
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Aus
der
DE 10 2005
001 428 A1 geht ferner ein Verfahren zur Steuerung einer
Brennkraftmaschine hervor, bei der die zweite Teileinspritzung eine
Kraftstoffmengengröße, welche die bei der zweiten
Teileinspritzung eingespritzte Korrektur-Kraftstoffmenge charakterisiert,
auf der Basis einer gedämpften Schwingung mit wenigstens
einer Grundschwingung und wenigstens der ersten Oberschwingung,
deren die Amplituden, die Dämpfungen, die Frequenzen und
die Phasen charakterisierenden Parameter in Abhängigkeit
von jeweils die eingespritzten Mengen charakterisierenden Größen
der aufeinanderfolgenden Einspritzungen, von einer den Kraftstoffdruck
charakterisierenden Größe und von einer die Temperatur
des eingespritzten Mediums charakterisierenden Größe
mittels eines neuronalen Netzwerks bestimmt werden. Bei einem solchen
Verfahren wird nicht mehr der zeitliche Verlauf der Mengenwellen
durch das neuronale Netzwerk gewissermaßen „gelernt”, sondern
nur noch der Zusammenhang zwischen den Parametern zur Beschreibung
der Schwingungen, also der Grundschwingung und der ersten Oberschwingung,
und den die eingespritzten Mengen charakterisierenden Größen
sowie der den Kraftstoffdruck charakterisierenden Größe.
Dieses Verfahren geht davon aus, dass die Mengenwellen eine Schwingung
mit einer Grundschwingung und einer ersten Oberschwingung darstellen, so
müssen daher lediglich noch die die Schwingung charakterisierenden
Größen in Verbindung mit einer reduzierten Zahl
von Eingangsgrößen durch das neuronale Netz ermittelt
werden. Durch den Einsatz eines neuronalen Netzes ist es möglich,
die Korrekturmenge genauer zu bestimmen. Die Implementierung eines
auf einem neuronalen Netzwerk beruhenden Verfahrens ist im Steuergerät
jedoch aufgrund von Laufzeitproblemen nur mit außerordentlich
großen Schwierigkeiten möglich.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, anders als bei dem aus
der
DE 10123 035 A1 dargestellten
Verfahren zur Ermittlung einer Korrekturmenge über Kennfelder
und dem in
DE
10 2005 001 428 A1 beschriebenen Ansatz über neuronale
Netze eine Korrekturmenge aus einem physikalisch empirisch motivierten
Modellansatz zu bestimmen. Dieser empirische Modellansatz ermöglicht
es, die in der
DE
10123 035 A1 beschriebenen Wechselwirkungen in der Art
zu beschreiben, dass die Korrekturmenge wesentlich genauer bestimmt
werden kann, ohne dass ein neuronales Netz eingesetzt werden muss.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird durch Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und
mit den Merkmalen des Anspruchs 2 gelöst.
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Grundidee
der Erfindung ist es, einen Modellansatz zur Ermittlung der Mengenwellenkorrektur
zu vermitteln, welcher nicht nur die bekannten Größen
des zeitlichen Abstands der Einspritzung, der Differenz von Öffnungs-
und Schließzeiten des Injektors, der Menge der ersten und
der zweiten Teileinspritzung, des Drucks des Mediums, des sogenannten
Raildrucks, und der Temperatur des Mediums, die Kraftstofftemperatur,
sowie der Temperatur der Brennkraftmaschine bzw. des Injektors zu
berücksichtigen, sondern auch die realen, hydraulischen Öffnungs-
und Schließzeiten des Injektors und die Ansteuerdauer der
Voreinspritzung. Dabei sieht eine erfindungsgemäße
Lösung vor, die Korrektur-Kraftstoffmenge auf der Basis
einer gedämpften Schwingung mit wenigstens einer Grundschwingung
und wenigstens einer ersten Oberschwingung zu bestimmen, deren die
Amplituden, die Dämpfungen, die Frequenzen und die Phasen
charakterisierenden Parameter in Abhängigkeit von jeweils
die Ansteuerdauer der ersten Teileinspritzung, die Menge der zweiten
Teileinspritzung, den Druck des eingespritzten Mediums, die Temperatur
des Injektors zur Einspritzung des Kraftstoffs, den zeitlichen Abstand
des Signals zwischen der wenigstens einen ersten Teileinspritzung
und der zweiten Teileinspritzung sowie die hydraulischen Öffnungs-
und Schließzeiten des wenigstens einen Injektors charakterisierenden Größen
zu bestimmen.
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Durch
die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten
Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen
der in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen
Verfahren möglich. Besonders vorteilhaft ist es, die bei
der zweiten Teileinspritzung eingespritzte Korrektur-Kraftstoffmenge
charakterisierende Kraftstoffmengengröße durch
folgende Gleichung zu bestimmen:
x(t) = x1(t) + x2(t),wobei
- Ai,
Aj
- = Amplituden der Mengenwellen
in Abhängigkeit vom Arbeitspunkt (Raildruck, Ansteuerdauer
der VE, Menge der HE),
- fi,
fj
- = Frequenzen der Mengenwellen
als Funktion von (Raildruck und Injektortemperatur),
- δi, δj
- = Dämpfungen,
- tö,
tc
- = Öffnungs-
und Schließzeiten der Düsennadel des Injektors,
- dt
- = Ansteuerdauer der
Voreinspritzung VE,
- tx
- = zeitlicher Abstand
der Einspritzungssignale
bezeichnen.
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Dabei
wird bevorzugt die ansteuerbare Voreinspritzung aus einem ansteuerbaren
Kennfeld entnommen.
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Die Öffnungs-
und Schließzeiten werden vorteilhafterweise in Abhängigkeit
von der Ansteuerdauer und der den Druck des Mediums charakterisierenden
Größe durch ein Modell und/oder aus Ratenverläufen ermittelt.
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Die
Frequenzen werden gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung
mittels Fourier-Analyse bestimmt und auf einen Referenzarbeitspunkt
normiert.
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Die
Dämpfungen werden an dem Referenzarbeitspunkt empirisch
ermittelt und die Amplituden werden durch folgende Schritte ermittelt:
- – bei vorgebbaren Frequenzen und dazugehörigen
Dämpfungswerten werden bei einem fest vorgegebenen Wert
der eingespritzten Menge der zweiten Teileinspritzung die Amplitudenwerte
der Öffnungs- und Schließwellen und die dazugehörigen
Frequenzwerte durch ein Modell optimiert;
- – die Werte werden in Kennfeldern in Abhängigkeit
von einer den Druck des eingespritzten Mediums charakterisierenden
Größe und einer die Ansteuerdauer der wenigstens
einen ersten Teileinspritzung charakterisierenden Größe
gespeichert;
- – bei konstanter Ansteuerdauer der wenigstens einen
ersten Teileinspritzung und konstantem Druck des eingespritzten
Mediums wird die Menge der zweiten Teileinspritzung derart variiert,
dass die Gesamtmengenamplitude als Funktion der Menge der zweiten
Teileinspritzung darstellbar ist;
- – diese Funktion wird in einem Kennfeld gespeichert.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung sind auch ein Computerprogramm und ein
Computerprogrammprodukt, welche zur Durchführung des Verfahrens
ausgestaltet sind, wenn das Programm auf einem Computer, insbesondere
dem Steuergerät einer Brennkraftmaschine ausgeführt
wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 schematisch
das elektrische Ansteuersignal sowie das hydraulische Verhalten
eines Injektors bei einer Voreinspritzung und bei einer Nacheinspritzung;
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2 schematisch
ein Blockdiagramm zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen
Verfahrens und
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3 die
normierte Gesamtmengenwellenamplitude als Funktion der eingespritzten
Menge bei der zweiten Teileinspritzung.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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Grundidee
der Erfindung ist es, einen Modellansatz zu vermitteln, bei dem
die Frequenzanteile der Mengenwelle bestimmt werden, um so die charakteristischen
Größen der Mengenwelle zu ermitteln, die für eine
Systemkonfiguration spezifisch sind.
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Hierzu
zählt die Phasenlage der Mengenwellen, die sich aus dem
Abstand der Einspritzungen und den Öffnungs- und Schließzeiten
der Düsennadel ergeben.
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Diese
sind schematisch in 1 dargestellt, in der ein elektrisches
Signal E, in 1 mit 101 bezeichnet
und die Öffnung des Injektors O, also das hydraulische
Verhalten des Injektors, in 1 mit einer
Kurve 102 bezeichnet, dargestellt sind.
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Wie
der 1 zu entnehmen ist, folgt das hydraulische Verhalten
des Injektors nicht unmittelbar dem elektrischen Verhalten, vielmehr öffnet
der Injektor erst zu einer Zeit t1', die um ein Zeitintervall tö nach
einer elektrischen Ansteuerzeit t1 liegt. Genauso schließt
der Injektor nicht zu einer Zeit t2, die dem elektrischen Ansteuersignal
entspricht, sondern versetzt um eine Zeit tc bei einer Zeit t2'.
Dies trifft sowohl bei der ersten Teileinspritzung, auch Voreinspritzung
VE genannt, als auch bei der zweiten Teileinspritzung, auch Haupteinspritzung
HE genannt, zu. Die Phasenlage der Mengenwellen, die durch die erste
Teileinspritzung hervorgerufen werden, hängen nun von den Öffnungs-
und Schließzeiten des Injektors ab.
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Die
Frequenzen der Mengenwellen ergeben sich aus der aktuellen Schallgeschwindigkeit,
die eine Funktion des Raildrucks, d. h. des Drucks des einzuspritzenden
Mediums, der Injektortemperatur und des Mediums darstellt, sowie
der Resonanzwellenlänge, die durch die Systemkonfiguration
bestimmt wird.
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Eine
analytische Berechnung der Schallgeschwindigkeit in Abhängigkeit
von Raildruck, Injektortemperatur und Medium ist an sich bekannt.
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Die
Dämpfung der Mengenwelle steigt proportional mit der Frequenz
und kann bezogen auf eine Referenzfrequenz fr und eine Referenzdämpfung δr
wie folgt berechnet werden: δn = fn/fr·δr,wobei δn
die aktuelle (neue) Dämpfung und fn die aktuelle (neue)
Frequenz bezeichnen.
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Die
Amplituden der Mengenwellen können abhängig vom
jeweiligen Arbeitspunkt des Systems bestimmt werden. Die Bestimmung
der Korrekturmenge erfolgt gemäß folgender Gleichung:
wobei
- Ai,
Aj
- = Amplituden der Mengenwellen
in Abhängigkeit vom Arbeitspunkt (Raildruck, Ansteuerdauer
der VE, Menge der HE),
- fi,
fj
- = Frequenzen der Mengenwellen
als Funktion von (Raildruck und Injektortemperatur),
- δi, δj
- = Dämpfungen
analog zu Frequenzen,
- tö,
tc
- = Öffnungs-
und Schließzeiten der Düsennadel des Injektors,
- dt
- = Ansteuerdauer der
VE,
- tx
- = zeitlicher Abstand
der Einspritzungssignale
bezeichnen.
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Die
Bestimmung der Modellparameter dieser Gleichung erfolgt wie folgt:
Der
zeitliche Abstand der Einspritzung ist bekannt und vorgegeben.
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Die
Ansteuerdauer der Voreinspritzung VE kann aus einem Ansteuerdauerkennfeld
entnommen werden.
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Die Öffnungs-
und Schließzeiten in Abhängigkeit von der Ansteuerdauer
und dem Raildruck können aus Ratenverläufen oder
Simulation auf an sich bekannte Weise ermittelt werden.
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Die
Frequenzen werden durch eine Fourier-Analyse von allen zur Verfügung
stehenden Messdaten bestimmt und auf einen Referenzarbeitspunkt
normiert. Die Dämpfungen hingegen werden direkt am Referenzarbeitspunkt
empirisch ermittelt. Die Abweichungen (Normdruck, Normtemperatur)
in Bezug auf den Referenzarbeitspunkt werden durch analytische Gleichungen
bestimmt, die an sich bekannt sind.
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Die
Amplituden werden wie folgt bestimmt:
- – bei
vorgebbaren Frequenzen und dazugehörigen Dämpfungswerten
werden bei einem fest vorgegebenen Wert der eingespritzten Menge
der zweiten Teileinspritzung die Amplitudenwerte der Öffnungs-
und Schließwellen und die dazugehörigen Frequenzwerte
durch ein Modell optimiert;
- – die Werte werden in Kennfeldern in Abhängigkeit
von einer den Druck des eingespritzten Mediums charakterisierenden
Größe und einer die Ansteuerdauer der wenigstens
einen ersten Teileinspritzung charakterisierenden Größe
gespeichert;
- – bei konstanter Ansteuerdauer der wenigstens einen
ersten Teileinspritzung und konstantem Druck des eingespritzten
Mediums wird die Menge der zweiten Teileinspitzung derart variiert,
dass die Gesamtmengenamplitude als Funktion der Menge der zweiten
Teileinspritzung darstellbar ist;
- – diese Funktion wird bevorzugt in einem Kennfeld gespeichert.
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Die
auf diese Weise normierte Gesamtmengenwellenamplitude A als Funktion
der Menge mHE der zweiten Teileinspritzung, der sogenannten Haupteinspritzung
HE, ist schematisch in 3 dargestellt. Mit zunehmender
Menge der Haupteinspritzung HE steigt die Gesamtamplitude der Mengenwelle
an, sie bleibt jedoch ab einem bestimmten Punkt konstant. Dies wird
durch die vorstehend beschriebene Gleichung abgebildet. Hierdurch
kann ein Korrekturwert berechnet werden, der vom ursprünglichen
Ausgangswert abgezogen wird, um die gewünschte Menge zu
erhalten. Dies ist schematisch in 2 dargestellt.
Die Eingangsgrößen Ansteuerdauer dt, Druck des
Mediums p, Menge der Haupteinspritzung mHE, Referenzfrequenzen fr,
die Temperatur des Mediums T und die Dämpfung δr
werden als Eingangsgrößen in einem Steuergerät 200 zugeführt. In
einem Programm, beispielsweise einem Unterprogramm oder einer Schaltungseinheit 210 werden
die Nadelöffnungs- und -schließzeiten bestimmt.
Ein Programm oder eine Schaltungseinheit 220 bestimmt die
Amplitudenwerte, ein Programm oder eine Schaltungseinheit 230 bestimmt
die Frequenzen und ein Programm oder eine Schaltungseinheit 240 bestimmt
die Dämpfung. Diese Größen werden einem
Modell des Nadelöffnens 250 und einem Modell des
Nadelschließens 260 zugeführt. Die beiden
Größen werden in einem Addierer 270 addiert
und das Ausgangssignal wird als Korrekturwert K vom ursprünglichen
Ausgangswert abgezogen. Das in 2 dargestellte
Blockschaltbild beschreibt die vorstehend beschriebene Gleichung,
die ihrerseits das empirisch zu bestimmende Modell realisiert. Das
Modell des Nadelöffnens 250 sowie das Modell des
Nadelschließens 260 können ebenfalls
jeweils als Programm, beispielsweise Unterprogramm, oder als geeigneter Schaltungsteil
in dem Steuergerät implementiert sein.
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Das
vorstehend beschriebene Verfahren kann – wie erwähnt – beispielsweise
als Computerprogramm mit den entsprechenden Unterprogrammen auf
einem Rechengerät, insbesondere dem Steuergerät 200 der Brennkraftmaschine,
deren Teil auch die Steuerelektronik ist, implementiert sein und
dort ablaufen. Der Programmcode kann auf einem maschinenlesbaren
Träger gespeichert sein, den das Steuergerät 200 lesen
kann. Auf diese Weise ist ein nachträgliches Einspielen
des Programms in das Steuergerät 200 möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10123035
A1 [0006, 0008, 0012, 0012]
- - DE 102005001428 A1 [0009, 0011, 0012]
