DE102013215179A1

DE102013215179A1 - Regelsystem zur Optimierung des Luft-Kraftstoff-Gemisches in einem Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102013215179A1
Application number: DE102013215179.9A
Authority: DE
Inventors: Frank Gutmann
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2013-08-01
Filing date: 2013-08-01
Publication date: 2015-02-19
Anticipated expiration: 2033-08-02
Also published as: DE102013215179B4

Abstract

Bei dem erfindungsgemäßen Regelsystem zur Optimierung des Luft-Kraftstoff-Gemisches in einem Verbrennungsmotor ist eine Lambdasonde und ein in einem elektronischen Steuergerät integrierter Lambdaregler vorgesehen, – wobei durch das Steuergerät eine vorgesteuerte Kraftstoffeinspritzmenge auch im instationären Betrieb kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich erstens mittels des Ausgangssignals des Lambdareglers und zweitens mittels des Ausgangssignals eines Adaptionsfunktionsmoduls korrigierbar ist, – wobei das Adaptionsfunktionsmodul das Ausgangssignal des Lambdareglers, die Drehzahl des Verbrennungsmotors und das Lastsignal als Eingangssignale erhält, und – wobei das Adaptionsfunktionsmodul ein Korrekturkennfeld mit gewichteten Messtripel-Stützstellenwerten und ein Gewichtungskennfeld nur mit den Gewichtungsfaktoren der Messtripel-Stützstellenwerte des Korrekturkennfeldes vorsieht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Regelsystem zur Optimierung des Luft-Kraftstoff-Gemisches in einem Verbrennungsmotor, insbesondere für ein Motorrad mit relativ langsamer Zwei-Punkt-Lambdaregelung.
Es sind seit langem bereits Verfahren und Vorrichtungen zur Adaption von Kennfeldwerten in Steuergeräten beispielsweise in Form von Kraftstoff-Einspritzzeit-Regelungen mittels Steuergeräten für Brennkraftmaschinen bekannt. Zum technischen Umfeld wird beispielsweise auf das Fachbuch „Autoelektrik, Autoelektronik am Ottomotor", BOSCH, Düsseldorf, VDI-Verlag, 1987, S. 274 ff., hingewiesen.
Adaptionen werden vorwiegend bei Motorsteuergeräten im Bereich der Kraftstoffeinspritzung, aber auch bei anderen Antriebssteuergeräten verwendet. Um Bauteiltoleranzen, Alterungseffekte oder Schwankungen der Kraftstoffqualität zu kompensieren, werden in heutigen Regelsystemen beispielsweise zwei Adaptionskonstanten errechnet. Eine multiplikative Größe dient zum Adaptieren der Einspritzzeit im normalen Motorbetrieb, eine additive Größe wird im Leerlaufbetrieb zur Einspritzzeit aus einem Vorsteuerkennfeld hinzugerechnet. Somit müssen mit zwei Konstanten sämtliche Betriebsbereiche des Motors abgedeckt werden. Dies ist nur durch starke Kompromisse möglich. Auch bei anderen Antriebssteuergeräten sind Adaptionen nur durch Korrekturfaktoren bekannt.
Beim Gegenstand der DE 100 44 412 A1 wird im Steuergerät zunächst überprüft, ob eine dauerhafte Regelabweichung des Lambda-Reglers, vorzugsweise bei ausgeschalteter Regelung und im eingeschwungenen Betriebszustand, vorliegt. Ist dies der Fall, werden die dieser Regelabweichung zugeordneten Adaptionswerte als Parameter in einem Korrekturkennfeld abhängig vom aktuellen Betriebspunkt abgelegt. Die Parameter werden vorzugsweise den Stützstellen des Korrekturkennfeldes zugeordnet. Beispielsweise kann die gesamte Regelabweichung einer Stützstelle, nämlich der dem Betriebspunkt nächstliegenden Stützstelle, zugeschlagen werden. Oder die Regelabweichung kann, beispielsweise zu gleichen Teilen, auf alle Stützstellen des dem Betriebspunkt nächstliegenden bzw. benachbarten Flächenstücks des Korrekturkennfeldes aufgeteilt werden. Ein Kennfeld besteht bekanntermaßen aus einer Vielzahl von Flächenstücken, die wiederum durch eine Vielzahl von Stützstellen aufgespannt sind.
Wenn sich der aktuelle Betriebspunkt zwischen den Stützstellen des nächstliegenden Flächenstücks des Korrekturkennfeldes befindet, sind vorzugsweise die Adaptionswerte diesen Stützstellen zugeordnete Parameter, durch die die Regelabweichung proportional zu den relativen Abständen des Betriebspunktes zu diesen Stützstellen auf diese Stützstellen aufgeteilt wird. Hierdurch wird die Genauigkeit des bekannte Korrekturkennfeldes noch weiter verbessert.
Befindet sich der aktuelle Betriebspunkt exakt auf einer Stützstelle des Kennfeldes kann zur Vereinfachung die gesamte Regelabweichung dem Parameter dieser Stützstelle zugerechnet werden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine automatische Korrektur des Ausgangssignals eines insbesondere langsamen Lambdareglers über einen möglichst großen, auch instationären Betriebsbereich bei geringer Rechenzeit zu schaffen.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche.
Bei dem erfindungsgemäßen Regelsystem zur Optimierung des Luft-Kraftstoff-Gemisches in einem Verbrennungsmotor ist eine Lambdasonde und ein in einem elektronischen Steuergerät integrierter Lambdaregler vorgesehen,

– wobei durch das Steuergerät eine vorgesteuerte Kraftstoffeinspritzmenge auch im instationären Betrieb kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich erstens mittels des Ausgangssignals des Lambdareglers und zweitens mittels des Ausgangssignals eines Adaptionsfunktionsmoduls korrigierbar ist,
– wobei das Adaptionsfunktionsmodul das Ausgangssignal des Lambdareglers, die Drehzahl des Verbrennungsmotors und das Lastsignal als Eingangssignale erhält, und
– wobei das Adaptionsfunktionsmodul ein Korrekturkennfeld mit gewichteten Messtripel-Stützstellenwerten und ein Gewichtungskennfeld nur mit den Gewichtungsfaktoren der Messtripel-Stützstellenwerte des Korrekturkennfeldes vorsieht.

Vorzugsweise werden die gewichteten Stützstellen des Korrekturkennfeldes nach dem Prinzip eines neuronalen Netzes mit radialer Basisfunktion gebildet, wobei ein Messtripel im stationären Betrieb zu einem Neuron mit einem Gewichtungsfaktor von höchstens 100% definiert wird und wobei alle Stützstellenwerte des Korrekturkennfelds entsprechend dem abstandsabhängigen Einfluss dieses Neurons mit entsprechend abgeschwächten Gewichtungsfaktoren gebildet werden.
Der Erfindung liegen folgende Grundüberlegungen zugrunde:
Es ist bereits eine Leerlaufgemischadaption bekannt, die schnell aber nur in einem kleinen Betriebsbereich um den Leerlauf korrigiert. Eine Kennfeldgemischadaption kann nur in Konstantfahrpunkten adaptieren. Komplette neuronale Netze sind aufwändig und erfordern viele Messpunkte zum Anlernen der Neuronen. Bisherige Verfahren können nur in stationären Betriebspunkten adaptieren.
Eine Adaption auch bei instationären Betriebspunkten und eine Verkürzung der Adaptionszeit wird durch die Grundideen der Erfindung gelöst, nämlich

– erstens zum Ersetzen der Kennfeldadaption durch eine Adaption auf Basis eines normalisierenden neuronalen Netzes mit im Prinzip radialer Basisfunktion und
– zweitens zur Darstellung und Berechnung in Form von zwei Kennfeldern, nämlich einem Kennfeld für „Gewichte” (Gewichtungskennfeld) und einem Kennfeld für „Gewichte” mal „Daten” (Korrekturkennfeld),

Durch die beiden Kennfelder entsteht ein schnelles Rechenverfahren, das in Echtzeit korrigiert. Die Basisfunktion liegt ebenfalls als Kennfeld vor, so dass heuristische Erkenntnisse eingebracht werden können.
Aus der Information des Gewichtungskennfeldes kann ein „Vertrauens-Bereich” ermittelt werden, mit dem die adaptierten Bereiche plausibilisiert werden können. In einer Weiterentwicklung ist die getrennte Adaption von Kaltlauf und Warmlauf eines Verbrennungsmotors denkbar.
Durch die Erfindung wir eine bessere Kompensation von Serienstreuungen aller füllungsrelevanter Bauteile an einem Verbrennungsmotor erreicht. Dadurch können mit relativ geringem Aufwand abgasrelevante Vorschriften erfüllt werden.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigt
1 eine schematische Übersicht über die wichtigsten Komponenten des erfindungsgemäßen Regelsystems und
2 eine vergrößerte schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Adaptionsfunktionsmoduls.
Das in 1 gezeigte Regelsystem zur Optimierung des Luft-Kraftstoff-Gemisches weist ein Vorsteuerkennfeld 1 zur Vorgabe einer vorgesteuerten Kraftstoffeinspritzmenge ti_vor auf. Die vorgesteuerte Kraftstoffeinspritzmenge ti_vor ist erstens durch das Ausgangssignal eines üblichen Lambdareglers 4, hier z. B. ein Lambdakorrekturfaktor f, und zweitens durch das Ausgangssignal eines Adaptionsfunktionsmoduls 5, hier z. B. ein Adaptionsfaktor f_ad, korrigierbar. Die so gebildete Sollvorgabe ti_ges für eine einzuspritzende Gesamt-Kraftstoffmenge wird üblicherweise in Form einer Einspritzzeit an die Einspritzventile eines Verbrennungsmotors 2 vorgegeben.
Im Abgasstrang des Verbrennungsmotors 2 ist eine Lambdasonde 3, hier eine einfache Zwei-Punkt-Lambdasonde, dargestellt, wie sie üblicherweise aus Kostengründen bei Motorrädern im Abgasstrang vorgesehen ist. Das Ausgangssignal λ der Lambdasonde 3 ist Eingangssignal des oben bereits erwähnten Lambdareglers 4.
Weiterhin ist ein Adaptionsfunktionsmodul 5 vorgesehen, das das Ausgangssignal f des Lambdareglers 4, die Drehzahl n des Verbrennungsmotors 2 und das Lastsignal L als Eingangssignale erhält. Das Lastsignal L entspricht der Sollvorgabe für die Luftmenge, die im Verbrennungsmotor 2 beispielsweise durch eine Drosselklappe gestellt wird.
Das Vorsteuerkennfeld 1, der Lambdaregler 4 und das Adaptionsmodul 5 sind vorzugsweise als Software-Funktionsmodule in einem elektronischen Motor-Steuergerät integriert.
Das Adaptionsfunktionsmodul 5 sieht ein Korrekturkennfeld K_f·G mit gewichteten Messtripel-Stützstellenwerten, hier z. B. N1 und N2 sowie in deren näherem Umfeld liegende weitere Stützstellenwerte, und ein Gewichtungskennfeld K_G nur mit den Gewichtungsfaktoren Gi, Gii und Giii der Messtripel-Stützstellenwerte des Korrekturkennfeldes K_f·G vor.
Die gewichteten Stützstellen des Korrekturkennfeldes K_f·G werden vorzugsweise nach dem Prinzip eines neuronalen Netzes mit radialer Basisfunktion gebildet. Dabei wird ein Messtripel (Messungen von f-, n- und L-Werten) im stationären Betrieb zu einem Stützstellenwert quasi in der Funktion eines Neurons, hier N1 und N2, mit einem Gewichtungsfaktor Gi von 100% definiert. Weitere Stützstellenwerte werden im Umfeld jedes Neurons, hier N1 und N2, entsprechend dem abstandsabhängigen Einfluss dieses Neurons mit entsprechend abgeschwächten Gewichtungsfaktoren Gii und Giii gebildet. Die Durchmesser der Kreise sind proportional zu den Gewichtungsfaktoren gezeichnet. Die Werte der Kennfelder sind nur schematisch und nur zweidimensional dargestellt. Tatsächlich würde sich ein Gebirge aus dreidimensionalen Gaußverteilungskurven für die Funktions- und Gewichtungswerte ergeben.
Das Ausgangssignal f_ad des Adaptionsfunktionsmoduls 5 wird an einem aktuellen Betriebspunkt B (siehe 2) mittels Division der Werte des Korrekturkennfeldes K_f·G durch die Werte des Gewichtungskennfeldes K_G an diesem Betriebspunkt B gebildet.
Das Adaptionsmodul 5 befüllt das Korrekturkennfeld K_f·G und das Gewichtungskennfeld K_G immer weiter mit neuen Stützstellenwerten, wenn neue Messtripel im stationären Betrieb erfasst werden. Dadurch wird das Regelsystem sehr schnell immer genauer.
Während eine weitere Befüllung der Kennfelder in der Regel eher nur im Minutenbereich möglich ist, wird eine Korrektur mittels der jeweils bereits befüllten Stützstellen kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich (z. B. alle 10 ms) durchgeführt. Somit kann auch in instationären Betriebsbereichen eine sehr schnelle Gemisch-Optimierung erreicht werden.
In 1 ist noch zur genaueren Erläuterung der Wirkung der Erfindung eine Lastwechselsituation LW, z. B. eine Rücknahme des Fahrerwunsches, dargestellt:
Vor dem Lastwechsel sei zunächst zu einem ersten Betriebspunkt ein Lambdakorrekturfaktor f1 (z. B. f1 = 1, wobei 0 < f < 1) eingestellt. Nach dem Lastwechsel würde sich ohne erfindungsgemäße Adaption nach einer relativ langen Übergangszeit t zu dem neuen Betriebspunkt ein neuer Lambdakorrekturfaktor f2 (z. B. f1 = 0,8) einpendeln.
Wenn der erste und der zweite Betriebspunkt für eine bestimmte Zeit stationär (f, n und L konstant) vorliegen würden, würden gemäß der Erfindung zu diesen Betriebspunkten die Neuronen N1 bzw. N2 und die gewichteten weiteren Stützstellen im Umfeld der Neuronen N1 und N2 im Korrekturkennfeld abgespeichert werden.
Wird nun ein dritter (neuer, noch nicht abgespeicherter) Betriebspunkt B (siehe 2) – also ein aktuelles Messtripel f, n und L – erfasst, kann durch die Einflüsse (im Technikgebiet der neuronalen Netze auch „Beiträge” genannt) der abgespeicherten gewichteten Stützstellen durch die erfindungsgemäßen Kennfelder und deren Division (wie oben beschrieben) sehr schnell (viel schneller als t) ein neuer Adaptionsfaktor f_ad ermittelt werden.
Würde ein komplettes neuronales Netz nach dem Stand der Technik als Rechenmodell eingesetzt werden, würde die Rechenzeit stark erhöht sein; denn dann müsste zu jedem neuen Betriebspunkt B der Beitrag eines jeden Neutrons berechnet werden:
z. B. Beitrag N1 = f1·Gewichtungsfaktor (n – n1, L – L1) usw.
Im Unterschied hierzu wird erfindungsgemäß mittels der Zweifach-Kennfeldgenerierung, mittels Adaption nur gemäß dem Prinzip eines normierten neuronalen Netzes mit radialer Basisfunktion und mittels der beschriebenen rechnerischen Behandlung der Gewichtungsfaktoren ein viel schnellerer Algorithmus als bei bekannten Rechenmodellen mit kompletten neuronalen Netzen erreicht.
Dies führt zusammengefasst trotz Vorliegen einer relativ langsamen Lambdaregelung insbesondere aufgrund einer einfachen Zwei-Punkt-Lambdasonde 3 zu einer sehr schnellen Korrektur.
Durch die Erfindung können im Bereich der Motorsteuerung ff. konkrete Vorteile erzielt werden:
Konstruktive Änderungen, wie zum Beispiel Anpassungen der Luftführung in der Sauganlage der Brennkraftmaschine können durch eine breitbandige Adaption aufgefangen werden. Alterungseffekte, die nicht gleichmäßig in allen Betriebsbereichen des Motors auftreten (z. B. Verkokung der Ventilsitze oder Veränderung des Ventilspiels), können aufgefangen werden, wodurch in letzter Konsequenz verbesserte Abgaswerte erreicht werden. Die Grundadaption der Kraftstoffeinspritzung kann weniger präzise durchgeführt werden, da eine betriebspunktabhängige Adaption zur Verfügung steht. Somit können während der Entwicklungsphase eines Motors bei Änderungen von gemischrelevanten Bauteilen, wie z. B der Sauganlage, zeitaufwendige Applikationsarbeiten vermieden werden. Denn die notwendigen Korrekturen an den Einspritzzeiten lässt man zunächst durch die Kennfeldadaption automatisch durchführen und rechnet danach die ermittelten Adaptionswerte in die Vorsteuerwerte ein, um so schnellstmöglich wieder zu optimalen Abgaswerten zu kommen.
Eine erfindungsgemäße Einspritzadaption ist besonders für Motoren wichtig, die nicht über eine luftmassenmessende Lasterfassung verfügen, wie insbesondere Motorradmotoren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10044412 A1 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Autoelektrik, Autoelektronik am Ottomotor”, BOSCH, Düsseldorf, VDI-Verlag, 1987, S. 274 ff. [0002]

Claims

Regelsystem zur Optimierung des Luft-Kraftstoff-Gemisches in einem Verbrennungsmotor (2) mittels einer Lambdasonde (3) und mittels eines in einem elektronischen Steuergerät integrierten Lambdareglers (4), – wobei durch das Steuergerät eine vorgesteuerte Kraftstoffeinspritzmenge (ti_vor) auch im instationären Betrieb kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich erstens mittels des Ausgangssignals (f) des Lambdareglers (4) und zweitens mittels des Ausgangssignals (f_ad) eines Adaptionsfunktionsmoduls (5) korrigierbar ist, – wobei das Adaptionsfunktionsmodul (5) das Ausgangssignal (f) des Lambdareglers (4), die Drehzahl (n) des Verbrennungsmotors (2) und das Lastsignal (L) als Eingangssignale erhält, und – wobei das Adaptionsfunktionsmodul (5) ein Korrekturkennfeld (K_f·G) mit gewichteten Messtripel-Stützstellenwerten (N1, N2) und ein Gewichtungskennfeld (K_G) nur mit den Gewichtungsfaktoren (Gi, Gii, Giii) der Messtripel-Stützstellenwerte des Korrekturkennfeldes (K_f·G) vorsieht.
Regelsystem nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, das Ausgangssignal (f_ad) des Adaptionsfunktionsmoduls (5) an einem aktuellen Betriebspunkt (B) mittels Division der Werte des Korrekturkennfeldes (K_f·G) durch die Werte des Gewichtungskennfeldes (K_G) an diesem Betriebspunkt (B) gebildet wird.
Regelsystem nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gewichteten Stützstellen des Korrekturkennfeldes (K_f·G) nach dem Prinzip eines neuronalen Netzes mit radialer Basisfunktion gebildet werden, wobei ein Messtripel im stationären Betrieb zu einem Stützstellenwert in der Funktion eines Neurons (N1; N2) mit einem Gewichtungsfaktor von 100% (Gi) definiert wird und wobei weitere Stützstellenwerte im Umfeld jedes Neurons (N1; N2) entsprechend dem abstandsabhängigen Einfluss diese Neurons mit entsprechend abgeschwächten Gewichtungsfaktoren (Gii, Giii) gebildet werden.
Regelsystem nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Adaptionsmodul (5) das Korrekturkennfeld (K_f·G) und das Gewichtungskennfeld (K_G) immer weiter mit neuen Stützstellenwerten befüllt, wenn neue Messtripel im stationären Betrieb erfasst werden.