DE102015214363A1 - Verfahren zum Bearbeiten von Sensorsignalen - Google Patents

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Abstract

Es werden ein Verfahren zum Bearbeiten von Sensorsignalen in einem Steuergerät (24) eines Kraftfahrzeugs und ein Steuergerät (24) zur Durchführung des Verfahrens vorgestellt. Das Steuergerät (24) ist zur Steuerung und/oder Regelung eines Systems vorgesehen und erfasst von diesem System Signale. Das System wird mittels eines Modells modelliert, wobei mindestens ein Wert für ein langsames Signal basierend auf dem Modell ermittelt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten von Sensorsignalen in einem Steuergerät eines Kraftfahrzeugs und ein Steuergerät zur Durchführung des Verfahrens.
  • Stand der Technik
  • Steuergeräte sind elektronische Komponenten, die in Kraftfahrzeugen zur Steuerung und Regelung von Abläufen und Komponenten eingesetzt werden. So ist bspw. das Motorsteuergerät für den Betrieb des in dem Kraftfahrzeug eingesetzten Verbrennungsmotors zuständig. Hierzu werden von dem Steuergerät über Signale Informationen eingelesen und nach deren Verarbeitung Steuersignale ausgegeben.
  • Moderne elektronische Motorsteuerungen für Kolbenmotoren als Ausführung einer Brennkraftmaschine weisen für eine optimale Steuerung und Regelung der Ansaugluft und Inertgase eine Hochdruck-Abgasrückführung auf. Zur Optimierung der Emissionen kann zusätzlich ein Niederdruck-Abgasrückführsystem enthalten sein. Somit sind ein Niederdruck-Abgasrückführsystem und ein Hochdruck-Abgasrückführsystem vorhanden.
  • Mit Abgasrückführung (AGR) wird in Verbrennungsmotoren, die bspw. in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, ein Verfahren bezeichnet, das zur Verringerung der Schadstoffemissionen eingesetzt wird. Bei diesem wird ein Teil der Abgase zum Ansaugrohr des Verbrennungsmotors zurückgeführt und dadurch die Verbrennungshöchsttemperatur gemindert und insbesondere bei Dieselmotoren die Menge der Stickoxide verringert. Bei Ottomotoren wird die Abgasrückführung vornehmlich zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs eingesetzt.
  • Die Menge der zurückgeführten Abgase und die Menge der einströmenden Frischluft und damit die Zusammensetzung von Frischluft und Abgas bei der Verbrennung im Zylinder werden im Rahmen einer Abgasrückführungsregelung eingestellt. Als Regelgröße wird die Frischluftmasse bezeichnet, zu der innerhalb der Regelvorrichtung noch der dazu passende Abgasanteil festgelegt wird. Stellglieder bei der Regelung der Luftmasse können, je nach Ausführung, eine Drosselklappe, ein Hochdruck-(HD-)AGR-Ventil, ein Niederdruck-(ND-)AGR-Ventil in Kombination mit einer Abgasklappe oder eine Niederdruck-(ND-)Frischluftdrossel oder ein ND-Drei-Wege-Ventil sein.
  • Zu beachten ist, dass aufgrund unterschiedlicher Messtechniken von Sensoren für verschiedene physikalische Signale im Luftsystem die gemessenen Signale eine unterschiedliche Phasenlage haben. Außerdem werden verschiedene Signalfilterungen für verschiedene Signale angewendet. Dies liegt daran, dass teilweise höhere Frequenzen herausgefiltert werden sollen.
  • Durch das Öffnen und Schließen der Ein-/Auslassventile, die auch als Gaswechselventile bezeichnet werden, entsteht eine pulsierende Luftsäule im Luftsystem. Diese Pulsationen sind zum Beispiel auf den physikalischen Druckwerten, Luftmaßstromwerten und Lambdasondenwerten sichtbar. Viele Steuergeräte-Luftsystemmodelle basieren jedoch auf der Annahme, dass gemittelte Sensorwerten, bei denen Pulsationen herausgefiltert sind, vorliegen. Durch diese Filterung entsteht jedoch ein Phasenverzug auf den Signalen. Diese Signale werden im Folgenden als langsame Signale bezeichnet.
  • Schnelle Signale sind bspw. Stellersignale, z. B. Stelleransteuerungs- und Stellerpositionssignale, die nur in geringem Maße aufbereitet werden müssen.
  • Wenn nun Berechnungen mit den langsamen Signalen und schnellen Signalen durchgeführt werden, entstehen unphysikalische Überschwinger. Diese Überschwinger können zu einem instabilen Verhalten der Füllungsregelung führen.
  • Es ist bekannt, die schnelleren Sensorsignale an die langsameren Sensorsignale im Steuergerät dynamisch anzupassen, um zueinander konsistente Signale zu bekommen und damit unphysikalische Überschwinger zu vermeiden. Jedoch wird durch die Verzögerung der langsameren Sensorsignale die Füllungsregelung insgesamt langsamer.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren nach Anspruch 1 und ein Steuergerät gemäß Anspruch 10 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
  • Mit dem vorgestellten Verfahren ist es in Ausgestaltung möglich, langsame Steuergerät-Signale bspw. des Luftsystems mit einer Beobachterstruktur an die schnellen Steuergerät-Signale dynamisch anzupassen.
  • Langsame Signale betreffen bspw. Signale, die Informationen zum Luftmassenstrom oder den Druck tragen, bspw. das Signal des Frischluftmassenmessers oder der λ-Sonde. Dies sind Signale, die wegen Pulsationen nachbearbeitet werden müssen und es daher zu Phasenverschiebungen kommt. Diese Pulsationen sind auf den physikalischen Druckwerten und Luftmaßstromwerten sichtbar.
  • Schnelle Signale sind bspw. Stellersignale, z. B. Stelleransteuerungs- und Stellerpositionssignale, die nur in geringem Maße aufbereitet werden müssen.
  • Das Verfahren bietet sich bspw. dafür an, wenn als langsames Signal das Signal des Frischluftmassensensors und als schnelles Signal ein Stellersignal verwendet. Bei diesen beiden kommt es, wenn diese nicht gemäß dem vorgestellten Verfahren bearbeitet werden, zu einem großen Phasenverzug und damit bei der Verrechnung der beiden Signale zu großen Über- oder Unterschwingern. Das langsame Signal kann ein Signal bezogen auf einen Drucksensorwert und/oder Massenstromwert sein.
  • Es wird nunmehr in Ausgestaltung vorgeschlagen, basierend auf den dynamisch schnelleren Sensorsignalen und Eingangsgrößen in das System, bspw. das Luftsystem, das mindestens eine langsame Sensorsignal zu modellieren und das Modell in einer Ausführung basierend auf der Differenz zwischen dem gemessenen langsamen und dem modellierten Sensorwert, dem Beobachtungsfehler, zu korrigieren. Dies wird als Adaption des Modells bezeichnet. Es wird somit mindestens ein Wert für das mindestens eine langsame Sensorsignal ermittelt. Üblicherweise wird ein zeitlicher Verlauf des mindestens einen langsamen Sensorsignals, d. h. eine Abfolge von Werten, ermittelt.
  • Als Modell dient bspw. ein Streckenmodell des Systems Gesamtmotor oder des Systems Abgasrückführung. Dabei werden u. a. Volumen- und Laufzeiteffekte berücksichtigt. Von Bedeutung ist, dass das Modell adaptierbar sein kann, d. h. dass durch das Modell ermittelte Größen mit tatsächlichen bzw. gemessenen Größen verglichen werden und auf dieser Grundlage das Modell in regelmäßigen Abständen oder sogar kontinuierlich angepasst bzw. adaptiert wird. Zu beachten ist, dass mit dem Modell auch ein Teilsystem, d. h. ein Teil eines Gesamtsystems, modelliert werden kann.
  • Es bietet sich an, als Modell ein physikalisches Modell zu verwenden, in dem die physikalischen Abläufe in dem modellierten System berücksichtigt sind. Alternativ kann auch ein mathematisches Modell oder ein kombiniertes Modell verwendet werden.
  • Durch Einsatz des vorgestellten Verfahrens stehen von der Phase konsistente schnelle Eingangssignale bereit und die Regelparameter der Füllungsregelung können dadurch schneller ausgelegt werden. Auf diese Weise können Emissionen reduziert werden.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
  • Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Verbrennungsmotor mit Abgasrückführung.
  • 2 zeigt in Graphen Signalverläufe zur Verdeutlichung des vorgestellten Verfahrens.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
  • 1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Verbrennungsmotor 10, der über eine Abgasrückführung 12 verfügt. Der Verbrennungsmotor 10, der in diesem Fall als Dieselmotor ausgebildet ist, verfügt über vier Zylinder 14, erhält eine Momentenanforderung mF 16 von dem Fahrer mittels Betätigen des Gaspedals und liefert eine Drehzahl n 20. Zur Steuerung des Verbrennungsmotors 10 und der Abgasrückführung 12 ist ein Steuergerät 24 vorgesehen.
  • Die Abgasrückführung 12 umfasst bei dieser Ausführung eine Hochdruck-Abgasrückführung 30 (HD-AGR) und eine Niederdruck-Abgasrückführung 32 (ND-AGR). In der Hochdruck-Abgasrückführung 30 sind ein HD-Kühler 34 mit Bypass 36 und ein HD-AGR-Ventil 38 vorgesehen. Die Niederdruck-Abgasrückführung 32 umfasst einen ND-Kühler 40 mit Bypass 42 und ein ND-AGR-Ventil 44. Weiterhin zeigt die Darstellung einen Schalldämpfer 50, eine Abgasklappe 52, einen Dieselpartikelfilter 54, einen Katalysator 56 sowie einen Turbolader 58 mit einer Turbine 60 und einem Verdichter 62. Darüber hinaus zeigt die Figur eine Frischluftzuführung 70 mit einem Luftfilter 72, einem Frischluftmassenmesser 74, einer Frischluftdrossel 76 einem Ladeluftkühler 78 und einer Drosselklappe 80.
  • Das HD-AGR-Ventil 38, das ND-AGR-Ventil 44, die Abgasklappe 52 oder die Frischluftdrossel 76 und die Drosselklappe 80 sind die Stellglieder der Abgasrückführung 12 zur Luftmassenregelung.
  • Zu beachten ist, dass in der praktischen Anwendung typischerweise entweder eine Frischluftdrossel 76 oder eine Abgasklappe 52 verwendet wird.
  • Die Ausgangssituation, die aktuelle Lösung gemäß dem Stand der Technik und das ideale Verhalten der physikalischen gemessenen Signale bzw. das durch den Beobachter theoretisch erreichbare Verhalten, das durch ein Verfahren der vorgestellten Art näherungsweise erreicht wird, sind in 2 exemplarisch dargestellt.
  • Die Darstellung zeigt in einer Matrix neun Graphen, wobei in einer ersten Spalte 100 Verläufe der Ausgangssituation, in einer zweiten Spalte 102 Verläufe gemäß dem derzeitigen Vorgehen und in einer dritte Spalte 104 Verläufe gemäß einem idealen Verhalten dargestellt sind. In einer ersten Reihe 110 sind Verläufe eines schnellen Signals S1, in einer zweiten Reihe 112 Verläufe eines langsamen Signals S2 und in einer dritten Reihe 114 Verläufe eines berechneten Werts S3 wiedergegeben. An den Abszissen der Graphen ist jeweils die Zeit aufgetragen. An den Ordinaten der Graphen der ersten Reihe 110 ist jeweils eine Signalstärke des schnellen Signals S1, an den Ordinaten der Graphen der zweiten Reihe 112 eine Signalstärke des langsamen Signals S2 und an den Ordinaten der Graphen der dritten Reihe 114 der berechnete Wert S3 aufgetragen.
  • 2 bietet eine Darstellung der Phasenlage der verschiedenen Signalen S1, S2, S3. Für diese wird folgende einfache Modellgleichung verwendet: S3 = const·S1/S2 (1)
  • Durch die unterschiedliche Phasenlage der sich ändernden Signale S1 und S2 hat der berechnete Wert S3 einen Überschwinger, wie dies in der ersten Spalte 100 im Graphen unten zu erkennen ist. Dies entspricht der Ausgangslage.
  • Gemäß dem derzeitigen Vorgehen in der zweiten Spalte 102 wird das schnellere Signal S1 dynamisch an das langsamere Signal S2 angepasst. Dadurch hat S3 keinen Überschwinger, ist jedoch dynamisch langsamer.
  • Gemäß dem idealen Verhalten in der dritten Spalte 104 wird das Signal S2 dynamisch an S1 angepasst. Der berechnete Wert S3 ist dynamisch schneller und hat keinen Überschwinger, wie in dem Graphen 120 deutlich zu erkennen ist.
  • Um die langsamen Signale an die schnellen Signale anzupassen, wird bspw. ein Streckenmodell verwendet, das die langsamen Sensorwerte basierend auf den Eingängen in das Luftsystem und den schnellen Signalen modelliert. Mit den Eingängen in das Luftsystem und den schnellen Sensorsignalen liegen Informationen bereit, die frühzeitig eine Änderung der langsamen Sensorsignale voraussagen lassen. Für einen Vergleich der modellierten und gemessenen Werte ist es nötig, die schnellen modellierten Werte dynamisch an die langsamen Sensorwerte anzupassen.
  • Durch den Vergleich der langsamen gemessenen Sensorwerte mit den modellierten langsamen Sensorwerten kann in einer Ausführungsform des vorgestellten Verfahrens durch eine geeignete Gewichtung das Streckenmodell korrigiert werden. Diese Beobachterstruktur ermöglicht es, sowohl dynamisch als auch stationär genaue Werte zu erhalten.
  • Das vorgestellte Verfahren kann als eine Funktion, die in einem Steuergerät, bspw. als Software bzw. ein Computerprogramm, abgelegt ist, betrachtet werden. Dieses Computerprogramm, das Programmcodemittel zur Durchführung des Verfahrens bzw. zur Ausführung der Funktion umfasst, ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung.

Claims (12)

  1. Verfahren zum Bearbeiten von Sensorsignalen in einem Steuergerät (24) eines Kraftfahrzeugs, wobei das Steuergerät zur Steuerung und/oder Regelung eines Systems vorgesehen ist und von diesem System Signale erfasst, von denen mindestens ein Signal als langsames Signal (S2) und mindestens ein Signal als schnelles Signal (S1) eingestuft wird, wobei das System mittels eines Modells modelliert wird und wenigstens ein Wert (S3) für das mindestens eine langsame Signal (S2) basierend auf dem Modell ermittelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein zeitlicher Verlauf des mindestens einen langsamen Signals (S2) ermittelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das System mit einem Streckenmodell modelliert wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das System dynamisch mit wenigstens einem des mindestens einen schnellen Sensorsignals (S1) und wenigstens einer Eingangsgröße in das System modelliert wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Modell basierend auf gemessenen Werten angepasst wird, um einen Beobachtungsfehler zu korrigieren.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, das dazu dient, eine Abgasrückführung (12) in einem Verbrennungsmotor (10) zu steuern und/oder zu regeln.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, das in Verbindung mit einer Füllungsregelung eingesetzt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem als schnelles Signal (S1) ein Stellersignal herangezogen wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem als langsames Signal (S2) ein Signal zu einem Drucksensorwert und/oder Massenstromwert herangezogen wird.
  10. Steuergerät, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Steuergerät (24) zur Steuerung und/oder Regelung eines Systems vorgesehen ist und von diesem System Signale erfasst, von denen mindestens ein Signal als langsames Signal (S2) und mindestens ein Signal als schnelles Signal (S1) eingestuft wird, wobei das Steuergerät (24) dazu eingerichtet ist, eine Funktion durchzuführen, bei der das System mittels eines Modells modelliert wird und wenigstens ein Wert für das mindestens eine langsame Signal (S2) basierend auf dem Modell ermittelt wird.
  11. Steuergerät nach Anspruch 10, das als Motorsteuergerät ausgebildet ist.
  12. Steuergerät nach Anspruch 10 oder 11, bei dem die Funktion in einem Computerprogramm, das in dem Steuergerät (24) abgelegt ist, implementiert ist.
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