DE102020213839A1

DE102020213839A1 - Verfahren und elektronisches Steuergerät zum Betreiben eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102020213839A1
Application number: DE102020213839.7A
Authority: DE
Inventors: Alexandre Wagner; Michael Schmidt; Benedikt Alt; Manuel Bast
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-11-04
Filing date: 2020-11-04
Publication date: 2022-05-05
Also published as: CN114439630A

Abstract

Es ist ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (8) bereitgestellt, der ein Tanksystem (30) und ein Saugrohr (32) aufweist, wobei das Tanksystem (30) einen Kraftstoffbehälter (34) zum Speichern von Kraftstoff, der mit dem Saugrohr (32) über eine Zuleitung (36) des Tanksystems (30) in Flüssigkeits- und Gasverbindung steht, ein in der Zuleitung (36) angeordnetes Filterelement (38) zum Speichern von aus dem Kraftstoffbehälter ausströmendem Kraftstoffgas und ein in der Zuleitung (36) stromabwärts des Filterelements (38) angeordnetes Tankentlüftungsventil (40) zum Regulieren eines gasförmigen Kraftstoffmassenstroms (ṁK,T) aufweist, der über das Tankentlüftungsventil (40) in das Saugrohr (32) strömt, wobei das Verfahren die Schritte Bestimmen (S10) eines Korrekturwerts (ṁK,T,er) für einen Soll-Kraftstoffmassenstrom (ṁK,S,λ) mittels eines datenbasierten Modells, dessen Eingangsgrößen aktuelle Betriebsparameter (pU, pS, TU, TS) und dessen Ausgangsgröße der Korrekturwert (ṁK,T,er) ist, wobei der bestimmte Korrekturwert (ṁK,T,er) einen gasförmigen Kraftstoffmassenstrom (ṁK,T,er) angibt, der über das Tankentlüftungsventil (40) strömt, und Korrigieren (S12) des Sollkraftstoffmassenstroms (ṁK,S,λ) um dem bestimmten Korrekturwert (ṁK,T,er) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein elektronisches Steuergerät zum Betreiben eines Verbrennungsmotors sowie ein Computerprogramm und ein maschinenlesbares Speichermedium.
Stand der Technik
Aus der Praxis ist es bekannt, dass ein Kraftstoffbehälter eines Tanksystems eines Verbrennungsmotors über eine Zuleitung mit einem Saugrohr des Verbrennungsmotors verbunden ist, das ein Luft-Kraftstoff-Gemisch zu einem Brennraum transportiert. Aufgrund gesetzlicher Auflagen dürfen gasförmige und flüchtige Bestandteile des in dem Kraftstoffbehälter aufgenommenen Kraftstoffs nicht aus dem geschlossenen Tanksystem entweichen. Daher muss das Tanksystem möglichen Temperatur-bedingten Druckänderungen standhalten, die beispielsweise durch das Erwärmen des Verbrennungsmotors in seinem Betrieb auftreten können.
Um den gesetzlichen Auflagen gerecht zu werden, kann der Kraftstoffbehälter eines konventionellen Tanksystems im Ruhezustand des Fahrzeugs komplett von seiner Umgebung abgeschlossen und so gebaut sein, dass er einer durch eine Temperaturänderung bedingten Druckänderung standhält. Diese Druckfestigkeit des Kraftstoffbehälters führt allerdings zu erhöhten Baukosten des Tanksystems und somit des Verbrennungsmotors.
In einer alternativen konventionellen Ausgestaltung des Tanksystems ist eine Luftbewegung zwischen dem Kraftstoffbehälter und seiner Umgebung vorgesehen, so dass ein Filterelement in Form eines Aktivkohlefilters und ein Tankentlüftungsventil in der Zuleitung zwischen dem Kraftstoffbehälter und dem Saugrohr angeordnet sind. Im Stillstand des Motors können aus dem Kraftstoff ausströmende, gasförmige Kohlenwasserstoffe in dem Aktivkohlefilter aufgefangen und gepuffert werden. Sobald der Verbrennungsmotor wieder in Betrieb genommen wird, wird der Filter entleert bzw. gespült, indem die im Filter gepufferten Kohlenwasserstoffe aufgrund der Druckdifferenz zwischen der Umgebung und dem Saugrohr wieder in den Verbrennungsmotor geführt und dort verbrannt werden. Dieser Spülvorgang des Aktivkohlefilters ist über das Tankentlüftungsventil dosierbar, so dass keine signifikanten Änderungen zwischen dem Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis und dem im Brennraum zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemischs auftreten sollten. Im Falle, dass der Verbrennungsmotor zusätzlich einen Turbolader aufweist, kann zusätzlich zur Zuleitung zum Saugrohr eine weitere Verbindung zum Turbolader vorgesehen sein. Über diese Verbindung kann auch eine Druckdifferenz zum Aktivkohlefilter aufgebaut werden.
Bei dieser Art der Tankentlüftung weist ein konventionelles elektronisches Steuergerät eine Lambda-Regelung auf, die dazu eingerichtet ist, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf dem vorgegebenen Sollwert, beispielsweise dem stöchiometrischen Verhältnis, zu halten und gleichzeitig externe Einflüsse, die bei der Tankentlüftung entstehen können, auszugleichen. Da allerdings die Beladung des Aktivkohlefilters, also wie viel gasförmiger Kohlenwasserstoff in dem Aktivkohlefilter gepuffert ist, in der Regel nicht bekannt ist, kann dieser externe Einfluss auf die eingespritzte Kraftstoffmenge zusätzlich mittels eines Spülreglers des elektronischen Steuergeräts kompensiert werden, der dazu eingerichtet ist, anhand des Regeleingriffs des Lambda-Reglers, des Lambda-Istwerts sowie der Drücke im Saugrohr und der Umgebung, der Temperatur in der Umgebung und der effektiv durchströmten Fläche am Tankentlüftungsventil einen Korrekturwert für den Soll-Kraftstoffstrom in Echtzeit zu berechnen und direkt im Kraftstoffpfad zu kompensieren.
1 zeigt ein solches Konzept für die Lambda-Regelung und die Kompensation der externen Einflüsse aus der Tankentlüftung auf den Kraftstoffpfad eines Verbrennungsmotors 8. In dem einer Regelstrecke entsprechenden Kraftstoffpfad 9 des Verbrennungsmotors 8 sind ein Kraftstoffmassenstrom und der Kraftstoffmassenstrom ṁ_K,T, der über das Tankentlüftungsventil strömt, mittels eines Additionsglieds 10 addierbar und mit dem Luftmassenstrom ṁ_L mittels eines Divisionsglieds 12 mischbar, das eingerichtet ist, den Luftmassenstrom ṁ_L durch den Ausgabestrom ṁ_K des Additionsglieds 10 zu dividieren. Der so erhaltene Luft-Kraftstoff-Massenstrom ist über ein Multiplikationsglied 14, dessen zweiter Eingang der Lambda-Sollwert λ_sto am stöchiometrischen Verhältnis ist, multiplizierbar. Der generierte Luft-Kraftstoff-Massenstrom mit dem stöchiometrischen Verhältnis ist mittels Einspritzventilen von Zylindern in den Brennraum einspritzbar und nach seiner Verbrennung im Brennraum des Verbrennungsmotors 8 über ein Abgassystem 16 abgebbar. Das Abgassystem 16 enthält unter anderem einen Lambda-Sensor, der dazu eingerichtet ist, einen Lambda-Istwert λ auszugeben. Dieser Istwert λ ist dem Lambda-Regler 18 zuführbar, der dazu eingerichtet ist, einen Korrekturwert fr an eine Multiplikationseinheit 20 auszugeben, die dazu eigerichtet ist, einen Soll-Kraftstoffmassenstrom ṁ_K,S mit dem Korrekturwert fr zu multiplizieren und einen korrigierten Sollwert ṁ_K,S,λ auszugeben. Der Soll-Kraftstoffmassenstrom ṁ_K,S ist dabei über den Luftmassenstrom ṁ_L und einen festen Wert λ_sto mittels eines Glieds 22 generierbar, das dazu eingerichtet ist, den Luftmassenstrom ṁ_L durch den festen Wert λ_sto zu teilen. Um die Effekte des Spülvorgangs zu kompensieren, ist ferner der Spülregler 24 vorgesehen, der basierend auf dem Korrekturwert fr, dem Lambda-Istwert Ä sowie einem berechneten über das Tankentlüftungsventil strömenden Massenstrom ṁ_T,er arbeitet. Der Massenstrom ṁ_T,er wird dabei basierend auf dem Druck ps im Saugrohr, dem Druck pu in der Umgebung, der Temperatur T_S im Saugrohr und der vom Gas effektiv durchspülten Fläche A_T am Tankentlüftungsventil mittels einer Berechnungseinheit 26 errechnet, die dazu eingerichtet ist, den berechneten Massenstrom ṁ_T,er an den Spülregler 24 auszugeben. Die Berechnungseinheit 26 kann optional auch die Temperatur T_U in der Umgebung berücksichtigen, um den Massenstrom ṁ_T,er zu berechnen.
Der vom Spülregler 24 ausgegebene Korrekturwert ṁ_K,T,er ist einem Subtraktionsglied 28 zuführbar, das dazu eingerichtet ist, den Korrekturwert ṁ_K,T,er vom Lambda-korrigierten Soll-Kraftstoffmassenstrom ṁ_K,S,λ abzuziehen und den korrigierten Sollwert ṁ_K,S,λ,T für den Kraftstoffmassenstrom dem Kraftstoffpfad 9 zuzuführen, so dass die Einspritzventile der Zylinder des Verbrennungsmotors 8 geeignet ansteuerbar sind, um den auf seinen Sollwert ṁ_K,S,λ,T eingestellten Kraftstoffmassenstrom ṁ_K in den Brennraum einzuspritzen.
In dem in 1 dargestellten Konzept umfasst das gestrichelt dargestellte elektronische Steuergerät 29 die Einheiten 18-28.
Dieses Konzept, ein Gasentweichen in dem Tanksystem zu verhindern, hat allerdings den Nachteil, dass ein Einschwingvorgang für den Korrekturwert ṁ_K,T,er der Spülreglers 24 in der Regel immer bei einem Korrekturwert gleich null startet. Daher dauert es dementsprechend lange, einen korrekten Korrekturwert zu erhalten, was wiederum zu unerwünschten transienten LambdaAbweichungen und Nachteilen in der Emission führt.
Es besteht ein Bedürfnis, eine schnelle, betriebspunktabhängige Kompensation externer Einflüsse aus der Tankentlüftung auf den Kraftstoffpfad bereitzustellen.
Offenbarung der Erfindung
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors bereitgestellt, der ein Tanksystem und ein Saugrohr aufweist, wobei das Tanksystem einen Kraftstoffbehälter zum Speichern von Kraftstoff, der mit dem Saugrohr über eine Zuleitung des Tanksystems in Flüssigkeits- und Gasverbindung steht, ein in der Zuleitung angeordnetes Filterelement zum Speichern von aus dem Kraftstoffbehälter ausströmendem Kraftstoffgas und ein in der Zuleitung stromabwärts des Filterelements angeordnetes Tankentlüftungsventil zum Regulieren eines gasförmigen Kraftstoffmassenstroms, der über das Tankentlüftungsventil in das Saugrohr strömt, aufweist, wobei das Verfahren die Schritte Bestimmen eines Korrekturwerts für einen Soll-Kraftstoffmassenstrom mittels eines datenbasierten Modells, dessen Eingangsgröße aktuelle Betriebsparameter und dessen Ausgangsgröße der Korrekturwert ist, wobei der Korrekturwert einen gasförmigen Kraftstoffmassenstrom angibt, der über das Tankentlüftungsventil strömt, und Korrigieren des Soll-Kraftstoffmassenstroms um den bestimmten Korrekturwert.
In einem Kraftstoffpfad des Verbrennungsmotors kann ein gasförmiger Kraftstoffmassenstrom, der über das Tankentlüftungsventil in das Saugrohr strömen kann, die Menge des Kraftstoffs in dem Saugrohr und damit die Zusammensetzung eines Kraftstoff-Gasgemisches, das in einen Brennraum des Verbrennungsmotors eingespritzt werden kann, verändern. Der gasförmige Kraftstoffmassenstrom kann einen Luftmassenstrom, der Kohlen-Wasserstoffanteile aufweist, bezeichnen. Dieser zusätzliche gasförmige Kraftstoffmassenstrom kann als externe Störgröße für den Kraftstoffpfad betrachtet werden, die abhängig vom Betriebspunkt des Verbrennungsmotors sein kann. Um diese Störgröße zu kompensieren, kann in dem vorliegenden Verfahren diese externe Störgröße mit Betriebsparametern, wie einem Druck und einer Temperatur im Saugrohr sowie in der Umgebung, unter Verwendung eines datenbasierten Models oder mehreren datenbasierten Modellen korreliert werden, so dass ein eingelernter, für eine Betriebssituation spezifischer Korrekturwert beim nächsten Mal wieder abgerufen werden kann und der entsprechende Lernvorgang nicht wieder bei null starten muss. Der Betriebspunkt kann dabei durch die Betriebsparameter charakterisiert sein. Eine Umgebung kann um das Tanksystem herum definiert sein, so dass die Temperatur bzw. der Druck in der Umgebung den Messgrößen benachbart zum Tanksystem außerhalb des Saugrohrs entsprechen kann.
Die Kompensation der externen Einflüsse kann bei wiederkehrenden Eingangsstörungen an bestimmten Betriebsparameter entlastet werden und es muss lediglich ein verbleibender Rest an unbekannten, nicht reproduzierbaren Störungen kompensiert werden. Da das datenbasierte Modell im Gegensatz zum Spülregler den externen Einfluss auf den Kraftstoffpfad bei wiederkehrenden Störungen direkt auf den zuvor eigelernten Wert initialisieren kann, kann der Einschwingvorgang während der Kompensation deutlich schneller und genauer ablaufen. Dadurch kommt es ferner zu weniger Lambdaabweichungen, was wiederum zu geringeren Emissionen führt.
Der zu korrigierende Soll-Kraftstoffmassenstrom kann für eine Lambda-Regelung des Kraftstoffpfads verwendet werden. Dabei kann der zu korrigierende Soll-Kraftstoffstrom als Regelsignal an Einspritzventile von Zylindern des Verbrennungsmotors ausgegeben werden, um den Kraftstoffzufluss in den Brennraum auf den Sollwert einzustellen. Der Soll-Kraftstoffmassenstrom kann bereits um einen Lambda-Korrekturwert einer Lambda-Regelung korrigiert worden sein, bevor der Soll-Kraftstoffmassenstrom um den mittels des datenbasierten Modells ermittelten Korrekturwert korrigiert wird. Eine Korrektur des Soll-Kraftstoffmassenstroms um einen Korrekturwert bzw. den Lambda-Korrekturwert kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass der vom datenbasierten Modell bzw. der Lambda-Regelung ermittelte Kraftstoffmassenstrom vom Soll-Kraftstoffmassenstrom abgezogen wird. Daher können das Verfahren und insbesondere die zugehörige Hardwarerealisierung des elektronischen Steuergeräts besonders einfach in bestehende Konzepte des elektronischen Steuergeräts für das Tanksystem, die in der Regel einen Lambda-Regler aufweisen, integriert werden. Insgesamt kann also mit der Lambda-Regelung und der Korrektur unter Verwendung des datenbasierten Modells ein hybrides Konzept zur Kompensation der Einflüsse aus der Tankentlüftung bewerkstelligt werden.
In einer Ausführungsform kann das datenbasierte Modell ein neuronales Netz verwenden oder sein. Der Korrekturwert kann dabei mittels des neuronalen Netzes gelernt werden. Dadurch kann die Generierung des Korrekturwerts besonders effizient durchgeführt werden.
In einer Ausführungsform kann das neuronale Netz ein einschichtiges neuronales Netz sein, das einen Local Linear Model Tree (LOLIMOT)-Algorithmus verwendet. Dadurch können konventionelle Maßnahmen der Identifikation des Korrekturwertes mittels eines neuronalen Netzes verwendet werden.
In einer Ausführungsform kann das neuronale Netz mehrere Teilmodelle verwenden, wobei jedes Teilmodell aus den Betriebsparametern einen entsprechenden gasförmiger Kraftstoffmassenstrom bestimmt, der über das Tankentlüftungsventil strömt, und über entsprechende Zugehörigkeitsfunktionen mit anderen Teilmodellen verknüpft wird, wobei die bestimmten gasförmigen Kraftstoffmassenströme unter Verwendung der zugehörigen Zugehörigkeitsfunktionen addiert werden, um den Korrekturwert zu bilden. Dabei kann insbesondere für jeden der so bestimmten gasförmige Kraftstoffmassenströme der Teilmodelle ein Offset und eine Steigung als Gewichtungsparameter verwendet werden, die den entsprechenden gasförmigen Kraftstoffmassenstrom in einem durch die Betriebsparameter aufgespannten Koordinatensystem beschreiben.
In einer Ausführungsform können die jeweiligen Teilmodelle für disjunkte Wertebereiche der Betriebsparameter definiert sein, so dass die möglichen Betriebspunkte, an denen der Verbrennungsmotor betrieben wird, einfach beschrieben werden können.
In einer Ausführungsform können die Zugehörigkeitsfunktionen eine Gaußfunktion oder eine Dreiecksfunktion sein. Insbesondere können alle Zugehörigkeitsfunktionen von einem gleichen Funktionstyp (Gaußfunktion oder Dreiecksfunktion) sein. Diese Art der Zugehörigkeitsfunktionen sind rechnerisch einfach und mit überschaubaren Prozessieraufwand umsetzbar.
Im Falle der Gaußfunktion können das Zentrum und die Standardabweichung der Gaußfunktion für jedes der Teilmodelle im Entwicklungsprozess zur Positionierung der Teilmodelle iterativ bestimmt werden. Das Gleiche gilt auch für das Zentrum und die Breite der Dreiecksfunktionen. Es ist auch möglich, dass die Gewichtungsparameter der einzelnen Teilmodelle im laufenden Betrieb angepasst werden, beispielsweise mit einem rekursiven Least-Square-Schätzer oder einem Gradientenabstiegsverfahren.
In einer Ausführungsform kann das neuronale Netz, insbesondere jedes der Teilmodelle, den Korrekturwert zusätzlich basierend auf einem Lambda-Korrekturwert des Lambda-Reglers und einem berechneten Massenstrom, der über das Tankentlüftungsventil strömt, ermitteln. Die Eingangsgröße für das neuronale Netz bzw. die Teilmodelle kann dabei bereits der Lambda-Korrekturwert multipliziert mit dem Massenstrom sein. Dadurch kann eine Rückkopplung zwischen der Lambda-Regelung und dem im Tanksystem möglichen Massenstrom über das Tankentlüftungsventil berücksichtigt sein. Der Massenstrom kann dabei aus dem Druck im Saugrohr, dem Druck in der Umgebung, der Temperatur in der Umgebung und der im Tankentlüftungsventil durchströmbaren Fläche berechnet werden.
Beispielsweise kann jedes Teilmodel folgende Funktion ${\dot{m}}_{K, T, i} = w_{0,i} + \sum_{j = 1}^{p} (w_{1,i,j} * {fr}_{ij} * {\dot{m}}_{T, i, j})$
implementieren. w_0,i, w_1,i,j bezeichnen dabei Gewichtungsparameter für einen Offset und eine Steigung, p die Anzahl der Betriebsparameter mit dem Zählindex j und i das Teilmodel.
Um den gelernten Korrekturwert zu verbessern, kann der ermittelte Korrekturwert wieder einem Lernvorgang des neuronalen Netzes zugeführt werden, so dass der Korrekturwert aus dem Zeitschritt zuvor korrigiert wird, sofern der Verbrennungsmotor am selben Betriebspunkt, also bei denselben Betriebsparametern, betrieben wird. Bei einem Betriebspunktwechsel kann der Korrekturwert für den alten Betriebspunkt gespeichert werden und der Wert kann erneut ausgelesen werden, wenn der Verbrennungsmotor wieder an diesem Betriebspunkt betrieben wird, ohne dass zuvor ein neuer Wert gelernt werden muss.
In einer Ausführungsform kann das datenbasierte Modell einen Gaußprozess oder mehrere Gaußprozesse verwenden oder ein Gaußprozess oder mehrere Gaußprozesse sein. Dadurch kann das Modellieren oder Lernen des Korrekturwerts besonders effizient durchgeführt werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt ist ein elektronisches Steuergerät zum Betreiben eines Verbrennungsmotors bereitgestellt, das dazu eingerichtet ist, Schritte eines Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt durchzuführen. Dabei kann das elektronische Steuergerät beispielsweise als herkömmlicher Prozessor ausgebildet sein, auf dem ein spezielles Computerprogramm ablaufen kann, das das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt steuert. Alternativ oder zusätzlich kann das elektronische Steuergerät als elektronisches Motorsteuergerät ausgebildet sein oder in diesen aufgenommen sein. Alternativ oder zusätzlich kann das elektronische Steuergerät entsprechende Einheiten aufweisen, die eine oder mehrere Verfahrensschritte des Verfahrens durchführen können. Dabei können das elektronische Steuergerät bzw. die Einheiten beispielweise mittels entsprechender Schaltungen realisiert sein.
Gemäß einem dritten Aspekt ist ein Computerprogramm bereitgestellt, das dazu eingerichtet ist, Schritte eines Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt durchzuführen, wenn es von einem Prozessor insbesondere eines elektronischen Steuergeräts durchgeführt wird. Das Computerprogramm kann Instruktionen aufweisen und einen Steuergerätecode bilden, der einen Algorithmus zum Durchführen des Verfahrens umfasst.
Gemäß einem vierten Aspekt ist ein maschinenlesbares Speichermedium bereitgestellt, auf welchem ein Computerprogramm gemäß einem dritten Aspekt gespeichert ist. Das maschinenlesebare Speichermedium kann beispielsweise als externer Speicher, als interner Speicher, als Festplatte oder als USB-Speichergerät ausgebildet sein.
Figurenliste
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 ein Konzept zu einer Lambda-Regelung und einer Kompensation externer Einflüsse aus der Tankentlüftung auf einen Kraftstoffpfad eines Verbrennungsmotors gemäß konventioneller Techniken;
2 eine schematische Darstellung eines Tanksystems und eines Saugrohrs eines Verbrennungsmotors, in denen ein Kraftstoffmassenstrom bei einer Tankentlüftung strömt, dessen Einfluss auf einen Kraftstoffpfad des Verbrennungsmotors mittels Techniken gemäß einem Ausführungsbeispiel kompensierbar ist;
3 eine schematische Darstellung eines elektronischen Steuergeräts gemäß einem Ausführungsbeispiel für eine Lambda-Regelung und eine Kompensation externer Einflüsse aus der Tankentlüftung auf den Kraftstoffpfad;
4 eine schematische Veranschaulichung des einschichtigen neuronalen Netzes, das in dem elektronischen Steuergerät in 3 implementiert ist;
5 einen Lern- und Auslesevorgang des neuronalen Netzes für die Tankentlüftung gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
6 ein Verfahren zum Betreiben des Verbrennungsmotors gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Ausführungsformen der Erfindung
Ein in 2 gezeigter Ausschnitt eines Verbrennungsmotors 8 zeigt ein Tanksystem 30 und ein Saugrohr 32. Das Tanksystem 30 weist einen Kraftstoffbehälter 34 auf, der über eine Zuleitung 36 mit dem Saugrohr 32 verbunden ist und mit diesem in Flüssigkeits- und Gasaustausch steht. In der Zuleitung 36 ist stromabwärts des Kraftstoffbehälters 34 ein Filterelement 38 in Form eines Aktivkohlefilters angeordnet, das eingerichtet ist, gasförmige Kohlenwasserstoffe, die aus dem Kraftstoff entweichen, bei Erwärmung des Kraftstoffbehälters 34, d.h. bei erhöhter Umgebungstemperatur des Tanksystems 30, während eines Stillstands des Verbrennungsmotors 8 zu puffern und zu speichern. Ein üblicherweise auch als Regenerierventil bezeichnetes Tankentlüftungsventil 40 ist stromabwärts des Aktivkohlefilters 38 in der Zuleitung 36 angeordnet. Eine Frischluftzufuhr 42 ist mit dem Aktivkohlefilter 38 verbunden.
Bei einem erneuten Betrieb des Verbrennungsmotors 8 ist ein Spülvorgang des Aktivkohlefilters 38 in Gang setzbar, bei dem die Frischluft aus der Umgebung über die Frischluftzufuhr 42 durch den Aktivkohlefilter 38 gesaugt wird. Dadurch entsteht ein Druckgefälle zwischen der Umgebung und dem Saugrohr 32, das unter Unterdruck steht. Bei Öffnen des Tankentlüftungsventils 40 strömt der im Aktivkohlefilter 38 gespeicherte Kohlenwasserstoff in das Saugrohr 32 und vermischt sich dort mit dem Kraftstoff-Gasgemisch, das in den Brennraum eingespritzt werden soll. Dieser zusätzliche gasförmige Kraftstoffmassenstrom, der durch den Spülvorgang erzeugbar und dem Saugrohr 32 zuführbar ist, hängt vom jeweiligen Betriebspunkt, also von den aktuellen Betriebsparametern, sowie von einer Menge des in dem Aktivkohlefilter 38 gespeicherten Kohlenwasserstoff ab.
Im Falle, dass der Verbrennungsmotor zusätzlich einen Turbolader aufweist, kann zusätzlich zur Zuleitung 36 zum Saugrohr 32 eine weitere Verbindung zum Turbolader vorgesehen sein. Über diese Verbindung kann auch eine Druckdifferenz zum Aktivkohlefilter 38 aufgebaut werden.
Um eine schnelle und genaue Korrektur des Kraftstoffmassenstroms im Saugrohr 32 angesichts des zusätzlichen gasförmigen Kraftstoffmassenstroms, der beim Spülvorgang über das Tankentlüftungsventil 40 strömt, zu gewährleisten, wird ein zu 1 ähnliches Konzept verwendet, das neben einer Lambda-Regelung eine separate Kompensation der externen Einflüsse aus der Tankentlüftung auf den Kraftstoffpfad 9 aufweist. Ein in 3 gezeigtes elektronisches Steuergerät 29, das Teil einer Motorsteuerung ist, implementiert dieses Konzept und ist dazu eingerichtet, einen Korrekturwert ṁ_K,T,er für den um einen Lambdawert fr korrigierten Soll-Kraftstoffmassenstrom ṁ_K,S,λ mittels eines neuronales Netz aus den Betriebsparameters zu lernen und als Regelungssignal Einspritzventilen von Zylindern des Verbrennungsmotors 8 zuzuführen, die dazu eingerichtet sind, die Soll-Kraftstoffmenge in einen Brennraum des Verbrennungsmotors 8 einzuspritzen. Im Gegensatz zu dem in 1 dargestellten elektronischen Steuergerät 29 weist dieses nicht den Spülregler 24 auf, sondern eine Einheit 42, die das neuronale Netz implementiert, und eine zusätzliche Multiplikationseinheit 44. Die Einheit 42, d.h. das neuronale Netz, verwendet als Eingangsgrößen die aktuellen Betriebsparameter in Form des Umgebungsdrucks p_U und des Drucks ps im Saugrohr 32 sowie der Umgebungstemperatur Tu und der Temperatur Ts im Saugrohr 32 sowie ein Ausgabesignal der Multiplikationseinheit 44, um den gasförmigen Kraftstoffmassenstrom ṁ_K,T,er über das Tankentlüftungsventil 40 zu lernen. Im Gegensatz zum Spülregler 24 ist der von einem Abgassystem 16 ausgegebene Ist-Lambdawert A kein Eingangsparameter der Einheit 42. Die Multiplikationseinheit 44 erhält als ersten Eingangsparameter den Lambda-Korrekturwert fr aus einem Lambda-Regler 18 sowie den von einer Einheit 26 errechneten Massenstrom ṁ_T,er und ist dazu eigerichtet, beide Werte zu multiplizieren und den multiplizierten Wert an die Einheit 42 auszugeben. Das Ausgabesignal ṁ_K,T,er der Einheit 42 ist einer Subtraktionseinheit 28 zuführbar, die eingerichtet ist, den Korrekturwert ṁ_K,T,er von einem um den Lambda-Korrekturwert fr korrigierten Soll-Kraftstoffmassenstrom ṁ_K,S,λ abzuziehen. Wie in 1 ist der Massenstrom ṁ_T,er über das Tankentlüftungsventil 40 mittels pu, ps, Ts und der effektiv durchströmbaren Fläche A_T am Tankentlüftungsventil 40 und optional T_U berechenbar.
Das in der Einheit 42 implementierte einschichtige, neuronale Netz ist in 4 veranschaulicht. Das neuronale Netz verwendet einen LOLIMOT-Algorithmus und weist n Teilmodelle 50a-50n auf, die jeweils ähnlich arbeiten. Jedes der n Teilmodelle 50a-50n ist einer entsprechenden Zugehörigkeitsfunktion 52a-52n zugeordnet, die bestimmt, inwieweit die Betriebsparameter den zugeordneten Teilmodellen 50a-50n unterliegen. Jedes der Teilmodelle 50a-50n und jede der Zugehörigkeitsfunktionen 52a-52n hat als Eingangsgröße alle Betriebsparameter p_U, p_S, T_U, T_S. Die Zugehörigkeitsfunktion Φ_i jedes Teilmodells 50a-50n ist am Punkt der Betriebsparameter auswertbar und ein entsprechender Wert Φ_i (Index i des Teilmodells mit i=1, ..., n) ist mit dem zugehörigen gelernten Ausgabewert ṁ_K,T,er,i des jeweiligen Teilmodells 50a-50n mittels einer Multiplikationseinheit 54a-54n multiplizierbar. n Ausgabesignale Φ_i * ṁ_K,T,er,i der entsprechenden Multiplikationseinheiten 54a-54n sind mittels einer Additionseinheit 56 aufsummierbar bzw. addierbar, um das Ausgabesignal ṁ_K,T,er der Einheit 42 zu bilden.
Es können beispielsweise lineare Modelle als die Teilmodelle 50a-50n eingesetzt werden, die den Ausgang ṁ_K,T,er,i des jeweiligen Teilmodells 50a-50n in Abhängigkeit des Lambdawerts fr des Lambda-Reglers 18 und des berechneten Massenstroms ṁ_T,er über das Tankentlüftungsventil 40 mit entsprechenden Gewichtungsparametern ermitteln. Beispielsweise kann jeder Kraftstoffmassenstrom ṁ_K,T,er,i jedes i-ten Teilmodells 50a-50n mittels ${\dot{m}}_{K, T, e r, i} = w_{0,i} + \sum_{j = 1}^{p} (w_{1,i,j} * {fr}_{ij} * {\dot{m}}_{T, e r, i, j})$
berechnet werden. w_0,i, w_1,j,j bezeichnen dabei Gewichtungsparameter für einen Offset und eine Steigung des Teilmodels 50a-50n, p die Anzahl der Betriebsparameter mit dem Zählindex j. Die Zugehörigkeitsfunktion kann entweder eine Dreiecksfunktion oder eine Gaußfunktion für jedes der Teilmodelle 50a-50n sein. Die Dreiecksfunktion kann wie folgt definiert sein: $\begin{array}{l} x_{j} < c_{j,1} - σ_{j,1} \cdot Φ_{11} = 0 \\ c_{j,1} - σ_{j,1} \leq x_{j} \leq c_{j,1} \cdot Φ_{12} = \frac{1}{σ_{j,1}} (x_{j} (c_{j,1} - σ_{j,1})) \\ c_{j,1} + σ_{j,1} \geq x_{j} > c_{j,1} \cdot Φ_{13} = \frac{1}{σ_{j,1}} ((c_{j,1} - σ_{j,1}) - x_{j}) \\ x_{j} > c_{j,1} + σ_{j,1} \cdot Φ_{14} = 0 \\ c_{j,1} > σ_{j,1} \end{array}$
Die Gaußfunktion entspricht dabei $Φ_{1} = e x p (- \frac{1}{2} (Σ_{j = 1}^{p} \frac{{(x_{j} - c_{j,1})}^{2}}{σ_{j,1}^{2}})),$
In beiden Funktionen bezeichnet x den Betriebsparameter (zum Beispiel den Druck p_U, p_S oder die Temperatur T_U, T_S), c das Zentrum der Funktion und σ die Standardabweichung der Funktion. Mit anderen Worten kann der Abstand des jeweiligen Betriebsparameters x zum Zentrum c des jeweiligen Teilmodells 50a-50n mit der Standardabweichung σ gewichtet sein. Das Zentrum c und die Standardabweichung σ der Teilmodelle 50a-50n müssen in einem Entwicklungsprozess zur Positionierung der Teilmodelle iterativ bestimmt werden. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die Gewichtungsparameter w₁₀, w_1,j der einzelnen Teilmodelle 50a-50n im laufenden Betrieb des elektronischen Steuergeräts 29 beispielsweise mit einem rekursiven Least-Square-Schätzer oder einem Gradientenabstiegsverfahren angepasst werden.
In 5 ist die Einheit 42 dargestellt, die eingerichtet sein kann, mittels einer Untereinheit 70 einen Lernvorgang und mittels einer Untereinheit 72 einem Auslesevorgang durchzuführen. Bei dem Lernvorgang wird basierend auf den Betriebsparametern p_U, p_S, T_U, T_S sowie dem Lambda-Korrekturwert fr und dem Massenstrom ṁ_T,er über das Tankentlüftungsventil 40 der Korrekturwert ṁ_K,T,er unter Verwendung des in 4 dargestellten LOLIMOT-Algorithmus gelernt. In dem Ausgabevorgang ist dieser Wert ṁ_K,T,er mittels der Untereinheit 72 an die Subtraktionseinheit 28 ausgebbar. Um den Korrekturwert ṁ_K,T,er zu verbessern, kann der ermittelte Korrekturwert ṁ_K,T über eine Schleife, die ein Verzögerungsglied 74 aufweist, wieder der Untereinheit 70 zuführbar sein, die dazu eingerichtet ist, den Korrekturwert ṁ_K,T,er aus dem Zeitschritt zuvor zu korrigieren, sofern der Verbrennungsmotor 8 am selben Betriebspunkt, also bei denselben Betriebsparametern, betrieben wird. Bei einem Betriebspunktwechsel kann der Korrekturwert ṁ_K,T,er für den alten Betriebspunkt in der Untereinheit 72 gespeichert werden und der Wert kann erneut ausgelesen werden, wenn der Verbrennungsmotor 8 wieder an diesem Betriebspunkt betrieben wird, ohne dass zuvor ein neuer Wert mittels der Einheit 70 gelernt werden muss.
In einer alternativen Realisierung weist das elektronische Steuergerät 29 einen Prozessor und einen Speicher eines herkömmlichen Computers auf. In dem Speicher ist ein Computerprogramm abgelegt, das dazu eingerichtet ist, das Ausgabesignal der Einheit 42 zu erzeugen und an die Einspritzventile auszugeben. Zum besseren Verständnis wird das nachfolgend in 6 gezeigte Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel für das in 3 gezeigte elektronische Steuergerät 29 beschrieben.
In einem in 6 dargestellten Verfahren zum Betreiben des Verbrennungsmotors 8 werden in einem ersten Verfahrensschritt S2 die Betriebsparameter p_U, p_S, T_U, T_S mittels entsprechender Sensoren gemessen. Das elektronische Steuergerät 29 steuert dazu die Sensoren geeignet an. Die gemessenen Parameter werden der Einheit 42 und der Einheit 26 zugeführt. In einem Verfahrensschritt S4 wird aus den gemessenen Betriebsgrößen pu, ps, Tu, Ts der Massenstrom ṁ_T,er über das Tankentlüftungsventil 40 mittels der Einheit 26 berechnet. In einem Verfahrensschritt S6 wird mittels des Lambda-Reglers 18 der Lambda-Korrekturwert fr basierend auf dem Istwert A ermittelt. In einem Verfahrensschritt S8 wird der Lambda-Korrekturwert fr mit dem in Schritt S4 ermittelten Massenstrom ṁ_T,er mittels der Einheit 44 multipliziert. In einem Verfahrensschritt S10 wird der Korrekturwert ṁ_K,T,er der Einheit 42 basierend auf dem im Schritt S8 erhaltenden Multiplikationswert sowie den gemessenen Betriebsparametern p_U, p_S, T_U, T_S aus Schritt S2 gelernt. In einem Verfahrensschritt S12 wird der Lambda-korrigierte Soll-Kraftstoffmassenstrom ṁ_K,S,λ um den Korrekturwert ṁ_K,T,er aus Schritt S10 mittels der Subtraktionseinheit 28 korrigiert. Dieser so korrigierte Sollkraftstoffmassenstrom ṁ_K,T,λ,kor wird in einem Schritt S14 dem Kraftstoffpfad 9 zugeführt, um eine Lambda-Korrektur und eine Kompensation der externen Einflüsse aus der Tankentlüftung des Tanksystems 30 aus den Kraftstoffpfad 9 des Verbrennungsmotors 8 zu bewerkstelligen.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (8), der ein Tanksystem (30) und ein Saugrohr (32) aufweist, wobei das Tanksystem (30) einen Kraftstoffbehälter (34) zum Speichern von Kraftstoff, der mit dem Saugrohr (32) über eine Zuleitung (36) des Tanksystems (30) in Flüssigkeits- und Gasverbindung steht, ein in der Zuleitung (36) angeordnetes Filterelement (38) zum Speichern von aus dem Kraftstoffbehälter ausströmendem Kraftstoffgas und ein in der Zuleitung (36) stromabwärts des Filterelements (38) angeordnetes Tankentlüftungsventil (40) zum Regulieren eines gasförmigen Kraftstoffmassenstroms (ṁ_K,T) aufweist, der über das Tankentlüftungsventil (40) in das Saugrohr (32) strömt, mit den Schritten: - Bestimmen (S10) eines Korrekturwerts (ṁ_K,T,er) für einen Soll-Kraftstoffmassenstrom (ṁ_K,λ,S) mittels eines datenbasierten Modells, dessen Eingangsgrößen aktuelle Betriebsparameter (pu, ps, Tu, Ts) und dessen Ausgangsgröße der Korrekturwert (ṁ_K,T,er) ist, wobei der bestimmte Korrekturwert (ṁ_K,T,er) einen gasförmigen Kraftstoffmassenstrom (ṁ_K,T,er) angibt, der über das Tankentlüftungsventil (40) strömt, und - Korrigieren (S12) des Sollkraftstoffmassenstroms (ṁ_K,S,λ) um dem bestimmten Korrekturwert (ṁ_K,T,er).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das datenbasierte Modell ein neuronales Netz verwendet.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das neuronale Netz ein einschichtiges neuronales Netz ist, das einen Local Linear Model Tree Algorithmus verwendet.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei das neuronale Netz mehrere Teilmodelle (50a-50n) verwendet, wobei jedes Teilmodel (50a-50n) aus den Betriebsparametern (p_U, p_S, T_U, T_S) einen entsprechenden gasförmigen Kraftstoffmassenstrom (ṁ_K,T,er,i) bestimmt, der über das Tankentlüftungsventil (40) strömt, und das über eine entsprechende Zugehörigkeitsfunktionen (52a-52n) mit den anderen Teilmodellen (50a-50n) verknüpft wird, wobei die bestimmten gasförmigen Kraftstoffmassenströme (ṁ_K,T,er,i) unter Verwendung der Zugehörigkeitsfunktionen (52a-52n) addiert werden, um den Korrekturwert (ṁ_K,T,er) zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die jeweiligen Teilmodelle (50a-50n) für disjunkte Wertebereiche der Betriebsparameter (p_U, p_S, T_U, T_S) definiert sind.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Zugehörigkeitsfunktionen (52a-52n) eine Gaußfunktion oder eine Dreiecksfunktion ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei das neuronale Netz den Korrekturwert (p_U, p_S, T_U, T_S) zusätzlich basierend auf einem Lambda-Korrekturwert (fr) eines Lambda-Reglers (18) und einem berechneten Massenstrom (ṁ_T,er), der über das Tankentlüftungsventil (40) strömt, ermittelt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das datenbasierte Modell einen Gaußprozess verwendet.
Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen, wenn es von einem Prozessor insbesondere eines elektronischen Steuergeräts (29), durchgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach Anspruch 9 gespeichert ist.
Elektronisches Steuergerät (29) zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (29), das dazu eingerichtet ist, Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen.