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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine unter Verwendung von datenbasierten Modellen, insbesondere für die Bestimmung eines Öffnungszeitpunkts und/oder eines Schließzeitpunkts zur Abschätzung einer eingespritzten Kraftstoffmenge.
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Technischer Hintergrund
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Zum Zumessen von Kraftstoff in Verbrennungsmotoren werden elektromechanische oder piezoelektrische Einspritzventile verwendet. Diese ermöglichen eine direkte und genau bemessene Kraftstoffzufuhr in die Zylinder des Verbrennungsmotors.
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Eine Herausforderung besteht darin, den Verbrennungsvorgang möglichst genau zu steuern, um Betriebseigenschaften des Verbrennungsmotors, insbesondere hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs, der Effizienz, der Schadstoffemissionen und der Laufruhe, zu verbessern. Dazu ist wesentlich, die Einspritzventile so zu betreiben, dass die einzuspritzende Kraftstoffmenge mit hoher Wiederholgenauigkeit, bei variierenden Arbeitsdrücken und ggfs. mit mehreren Einspritzungen pro Arbeitstakt zugemessen werden kann.
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Einspritzventile können einen elektromagnetischen Aktuator oder Piezoaktuator aufweisen, die eine Ventilnadel betätigen, um diese von einem Nadelsitz abzuheben und eine Austrittsöffnung des Einspritzventils zum Auslassen des Kraftstoffs in den Verbrennungsraum zu öffnen. Aufgrund von baulichen Unterschieden und unterschiedlichen Betriebsbedingungen wie Temperatur, Kraftstoffdruck, Kraftstoffviskosität gibt es eine Unsicherheit beim Bestimmen des exakten Öffnungszeitpunkts, d. h. des Zeitpunkts, ab dem Kraftstoff durch das Einspritzventil in den Brennraum des Zylinders gelangt, und des exakten Schließzeitpunkts des Einspritzventils, d. h. des Zeitpunkts, bis zu dem Kraftstoff durch das Einspritzventil in den Brennraum des Zylinders gelangt.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzventils gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung und ein Einspritzsystem gemäß den nebengeordneten Ansprüchen vorgesehen.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Einspritzsystems eines Verbrennungsmotors durch Ermitteln eines Öffnungs- oder Schließzeitpunkts des Einspritzventils basierend auf einem Sensorsignal vorgesehen, mit folgenden Schritten:
- - Bereitstellen einer Auswertungspunktzeitreihe durch Abtasten eines Sensorsignals eines Sensors des Einspritzventils,
- - Verwenden eines datenbasierten Zeitpunktbestimmungsmodells mit der Auswertungspunktzeitreihe, um eine modellierte Angabe zu einem Öffnungs- oder Schließzeitpunkt zu erhalten, wobei das Zeitpunktbestimmungsmodell als datenbasiertes Modell ausgebildet ist und trainiert ist, um abhängig von der bereitgestellten Auswertungspunktzeitreihe einen Ausgabevektor anzugeben, der einen Öffnungs- oder Schließzeitpunkt repräsentiert,
- - Bestimmen eines Konfidenzwerts basierend auf einer Salienzkarte, die abhängig von der Auswertungspunktzeitreihe, dem Ausgabevektor sowie dem datenbasierten Modell bestimmt wird;
- - Betreiben des Verbrennungsmotors abhängig von dem Öffnungs- oder Schließzeitpunkt und abhängig von dem Konfidenzwert.
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Obwohl die Ansteuerung eines Einspritzventils gemäß einem vorgegebenen Verlauf eines Ansteuersignals erfolgt, variieren die dadurch bewirkten Öffnungs- und Schließbewegungen des Einspritzventils, sodass die tatsächlichen Öffnungs- und Schließzeitpunkte zum Starten und Beenden der Kraftstoffeinspritzung nicht exakt vorgegeben werden können. Die Ursache hierfür liegt in den komplexen Abhängigkeiten der Ventilbewegung von dem aktuellen Betriebspunkt.
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Um die Ventilbewegung zu überwachen, ist in den Einspritzventilen ein Piezosensor vorgesehen, der als Drucksensor ausgebildet ist, um die durch die Ansteuerung des Einspritzventils ausgelösten Druckänderungen eines Kraftstoffdrucks zu erfassen und ein entsprechendes Sensorsignal bereitzustellen. Das gemessene Sensorsignal kann nun zur Ermittlung der tatsächlichen Öffnungs- und Schließzeitpunkte des Einspritzventils ausgewertet werden, um so die Ansteuerung des Einspritzventils entsprechend anzupassen.
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Jedoch ist auch das Sensorsignal rauschbehaftet und hängt insbesondere von dem tatsächlichen Kraftstoffdruck in der Kraftstoffzufuhr und der Dauer der zu vermessenden Ansteuerung ab.
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Die Auswertung des Sensorsignals zum Ermitteln eines Öffnungs- und/oder Schließzeitpunkts des Einspritzventils kann mithilfe eines datenbasierten Zeitpunktbestimmungsmodells vorgenommen werden, das z.B. in Form eines Klassifikationsmodells ausgebildet sein kann.
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Die Verwendung eines datenbasierten Zeitpunktbestimmungsmodells zur Ermittlung eines Öffnungs- oder Schließzeitpunkts ist vorteilhaft, da sich eine geeignete Modellierung, insbesondere mithilfe eines physikalisch motivierten Modells, aufgrund der vielfältigen Einflüsse und Wechselwirkungen nicht abbilden lässt. Jedoch ist in sicherheitskritischen Anwendungen der Einsatz von rein datenbasierten Modellen bedenklich, da nicht für jeden Betriebspunkt sichergestellt werden kann, dass die Ausgabe des Auswertungsmodells nicht zu einem unerwünschten Systemverhalten führt.
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Das datenbasierte Zeitpunktbestimmungsmodell kann ausgebildet sein und trainiert werden, um abhängig von einem Eingangsvektor, der die Auswertungspunktzeitreihe angibt, einen Ausgabevektor auszugeben, der eine modellierte Angabe zu dem Öffnungs- oder Schließzeitpunkt darstellt.
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So kann beispielsweise ein Wert einer Ausgabeklasse von „1“ angeben, dass der Zeitpunkt einem Zeitpunkt entspricht, der dieser Ausgabeklasse zugeordnet ist. Analog kann ein Wert einer Ausgabeklasse von „0“ angeben, dass der Öffnungs- oder Schließzeitpunkt nicht einem Zeitpunkt entspricht, der dieser Ausgabeklasse zugeordnet ist. Ein solches Klassifikationsmodell gibt für jede Ausgabeklasse einen Wert aus, der eine Wahrscheinlichkeit angibt, mit welcher der Zeitpunkt, der der entsprechenden Ausgabeklasse zugeordnet ist, der zu ermittelnde Öffnungs- oder Schließzeitpunkt ist.
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Der Indexwert des Elements mit dem maximalen Elementwert im Ausgabevektor gibt also den zu bestimmenden Öffnungs- und Schließzeitpunkt in dem Auswertungszeitraum an. Die Zuordnung des Indexwerts zu einem entsprechenden Zeitpunkt ist durch das Training des Zeitpunktbestimmungsmodells vorgegeben und insbesondere relativ zu einem Kurbelwellenwinkel oder mit Bezug auf den Startzeitpunkt der Ansteuerung des Einspritzventils durch das Ansteuersignal für die Aktuatoreinheit des Einspritzventils angegeben.
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Das datenbasierte Zeitpunktbestimmungsmodell kann beispielsweise ein neuronales Netz sein, das mehrere Schichten aufweist.
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Das datenbasierte Zeitpunktbestimmungsmodell kann basierend auf Trainingsdatensätzen trainiert sein, die jeweils eine Auswertungspunktzeitreihe einem Öffnungs- oder Schließzeitpunkt zuordnen, wobei das Zeitpunktbestimmungsmodell als neuronales Netz mit einer Eingangsschicht, optional mit einer oder mehreren Zwischenschichten mit jeweils mehreren Neuronen und einer Ausgabeschicht mit mehreren Neuronen zur Ausgabe des Öffnungs- oder Schließzeitpunkt ausgebildet ist.
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Um einen Konfidenzwert für den modellbasiert bestimmten Öffnungs- oder Schließzeitpunkt zu ermitteln, wird gemäß obigem Verfahren vorgeschlagen, die Auswertungspunktzeitreihe, den Ausgabevektor und das datenbasierte Zeitpunktbestimmungsmodell auszuwerten. Die Salienzkarte wird ermittelt, indem für das Element des Ausgabevektors mit dem maximalen Elementwert die Beiträge der Elemente der Auswertungspunktzeitreihe ermittelt werden. Insbesondere werden für jedes Element der Auswertungspunktzeitreihe der Gradient bezüglich des Elements des Ausgabevektors mit dem maximalen Elementwert ermittelt und die entsprechenden Gradienten in Form einer Salienzkarte bereitgestellt.
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Aus der Salienzkarte können ein oder mehrere Zeitpunkte in den Daten als relevante Zeitpunkte erkannt werden, auf die sich die Auswertung durch das datenbasierte Zeitpunktbestimmungsmodell bezieht.
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Die Auswertung der Salienzkarte erfolgt so, dass ein oder mehrere maßgebliche Merkmale bestimmt werden, auf die sich die Modellausgabe des Zeitpunktbestimmungsmodells bezieht. Diesen Merkmalen kann jeweils ein relevanter Zeitpunkt zugeordnet werden. Die Salienzkarte ordnet jedem Element in der Auswertungspunkt-Zeitreihe eine „Relevanz“ bzw. einen Beitrag für die Bestimmung des Öffnungs- oder Schließzeitpunkts zu (Typischerweise: je höher die Abweichung von 0, desto größer die Relevanz/Wichtigkeit.). d.h. die maßgeblichen Merkmale für den bestimmten Öffnungs- oder Schließzeitpunkt in der Auswertungspunkt-Zeitreihe. Daher kann den relevanten Elementen ein Zeitpunkt (in der Auswertungspunktzeitreihe) zugeordnet werden. Diese relevanten Zeitpunkte können hinsichtlich ihrer zeitlichen Lage bezüglich eines oder mehreren vorgegebenen oder durch den Ausgabevektor bestimmten Referenz-Zeitpunkten in der Zeitreihe, insbesondere bezüglich des durch Auswerten des Zeitpunktbestimmungsmodells ermittelten Öffnungs- oder Schließzeitpunkts, ausgewertet werden. Liegen alle relevanten Zeitpunkte kausal nach dem Schließzeitpunkt ist die Zuverlässigkeit der Auswertung in der Regel höher, als in dem Fall, wenn zumindest ein Teil der bestimmten relevanten Zeitpunkte kausal vor dem Öffnungs- oder Schließzeitpunkt liegen.
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Es kann somit vorgesehen sein, dass aus der Salienzkarte ein oder mehrere maßgebliche Merkmale der Auswertungspunkt-Zeitreihe und deren zeitliche Zuordnung zu Abtastzeitpunkten des Sensorsignals als ein oder mehrere relevante Zeitpunkte bestimmt werden, wobei der Konfidenzwert abhängig von dem zeitlichen Abstand des einen oder der mehreren relevanten Zeitpunkte (d.h. des einen oder der mehreren Zeitpunkte des Auftretens der maßgeblichen Merkmale) von dem einen oder mehreren Referenz-Zeitpunkten in der Auswertungsunkt-Zeitreihe, insbesondere dem bestimmten Öffnungs- oder Schließzeitpunkt, bestimmt wird.
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Entspricht der Referenz-Zeitpunkt dem Öffnungs- oder Schließzeitpunkt kann der Konfidenzwert abhängig davon bestimmt wird, ob sich der relevante Zeitpunkt des Auftretens des maßgeblichen Merkmals vor dem bestimmten Öffnungs- oder Schließzeitpunkt oder danach befindet.
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Werden zwei Referenz-Zeitpunkte vorgegeben oder aus dem Ausgabevektor ermittelt, kann der Konfidenzwert als der relative Anteil der maßgeblichen Zeitpunkte zwischen den beiden Referenz-Zeitpunkten bestimmt sein oder als der gewichtete Abstand des relevanten Zeitpunkts bzw. der relevanten Zeitpunkte zu dem nächsten der Referenz-Zeitpunkte bestimmt werden. Z.B. kann die Anzahl der Zeitpunkte der Auswertungspunkt-Zeitreihe, die jeweils zwischen den relevanten Zeitpunkten und dem jeweils nächsten Referenz-Zeitpunkt liegen, berücksichtigt werden. Dies gilt entsprechend für mehr als zwei Referenz-Zeitpunkte.
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Liegen der oder die mehreren relevanten Zeitpunkte (z.B. Zeitpunkte der Werte der Auswertungspunktzeitreihe mit den höchsten Beiträgen) der maßgeblichen Merkmale vor dem durch das neuronale Netz ermittelten Öffnungs- bzw. Schließzeitpunkt, so spricht dies dafür, dass die falschen Merkmale aus der Auswertungspunktzeitreihe als Grundlage für die modellbasierte Ermittlung des Öffnungs- und Schließzeitpunkts herangezogen wurden, und die Konfidenz wird als niedrig angenommen. Liegen die relevanten Zeitpunkte der maßgeblichen Merkmale in der Salienzkarte zeitlich nach dem ermittelten Öffnungs- oder Schließzeitpunkt, so wurden diese durch das Zeitpunktbestimmungsmodell als relevante Merkmale für die Bestimmung des Öffnungs- und Schließzeitpunkts erachtet, so dass die Auswertung durch das Zeitpunktbestimmungsmodell eine höhere bzw. hohe Konfidenz aufweist.
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Die Salienzkarte kann ausgewertet werden, indem die n relevantesten Zeitpunkte ausgewählt werden. Je nach Salienzmethode können diese den Zeitpunkten entsprechen, die durch die n größten/kleinsten Werte, die n größten Abweichungen von 0, oder auch n/2 Abweichungen >0 und die n/2 Abweichungen <0 bestimmt sind.
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Der Konfidenzwert ist dann ein Maß für den einen oder die mehreren relevanten Zeitpunkte abhängig von dem einen oder den mehreren vorgegebenen oder aus dem Ausgabevektor bestimmten Referenz-Zeitpunkten, insbesondere von dem Öffnungs- oder Schließzeitpunkt.
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Insbesondere kann der Konfidenzwert abhängig von den zeitlichen Abständen des einen oder der mehreren relevanten Zeitpunkte von dem einen oder den mehreren Referenz-Zeitpunkten, insbesondere dem aus dem Ausgabevektor bestimmten Öffnungs- oder Schließzeitpunkt, bestimmt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann der Konfidenzwert bei einem Referenz-Zeitpunkt gebildet werden,
- - indem diesem eine hohe Konfidenz zugewiesen wird, wenn alle relevanten Zeitpunkte später als der eine Referenz-Zeitpunkt liegen, und diesem eine niedrige Konfidenz zugewiesen wird, wenn mindestens ein Zeitpunkt früher als der Referenz-Zeitpunkt liegt; und/oder
- - indem diesem der Anteil der relevanten Zeitpunkte nach dem Referenz-Zeitpunkt bezogen auf alle relevanten Zeitpunkte zugewiesen wird; und/oder
- - indem diesem der Anteil der relevanten Zeitpunkte nach dem Referenz-Zeitpunkt zugewiesen wird, wobei die Anzahl der Zeitpunkte vor dem Referenz-Zeitpunkt mit dem Abstand zum Referenz-Zeitpunkt gewichtet werden.
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Beispielsweise kann der Konfidenzwert gebildet werden, indem diesem der Wert „1“ zugewiesen wird, wenn alle relevanten Zeitpunkte später als der Öffnungs- oder Schließzeitpunkt liegen, und diesem der Wert „0“ zugewiesen wird, wenn mindestens ein Zeitpunkt früher als der Öffnungs- oder Schließzeitpunkt liegt.
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Bei der Ermittlung des Öffnungs- oder Schließzeitpunkts für das Betreiben des Verbrennungsmotors kann somit der Konfidenzwert der Ermittlung berücksichtigt werden, um die Robustheit des Systems gegenüber Fehlauswertungen durch das Zeitpunktbestimmungsmodell zu vermeiden.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Verbrennungsmotor abhängig von einem zuvor ermittelten oder auf andere Weise ermittelten Öffnungs- oder Schließzeitpunkt betrieben wird, wenn der Konfidenzwert einen vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet.
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Basierend auf dem Öffnungs- oder Schließzeitpunkt wird eine tatsächlich eingespritzte Kraftstoffmenge in an sich bekannter Weise ermittelt und der Verbrennungsmotor entsprechend betrieben.
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Der Betrieb des Einspritzventils kann abhängig von dem Öffnungs- und/oder Schließzeitpunkt durchgeführt werden, wobei der Betrieb des Einspritzventils insbesondere so vorgenommen wird, dass eine Öffnungsdauer des Einspritzventils, die durch den ermittelten Öffnungs- und/oder Schließzeitpunkt bestimmt ist, auf eine vorgegebene Soll-Öffnungsdauer eingestellt wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zur Durchführung eines der obigen Verfahren vorgesehen.
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Figurenliste
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Einspritzsystems für die Einspritzung von Kraftstoff in den Zylinder eines Verbrennungsmotors;
- 2 ein Flussdiagramm zur Darstellung eines Verfahrens zur Anwendung eines trainierten, datenbasierten Zeitpunktbestimmungsmodells zum Bestimmen einer eingespritzten Kraftstoffmenge;
- 3 eine schematische Darstellung des Zeitpunktbestimmungsmodells mit einer Konfidenzermittlung; und
- 4 eine beispielhafte Auswertungspunkt-Zeitreihe als Kurvenverlauf eines Spannungssignals in einem Auswertungszeitraum.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt eine Anordnung eines Einspritzsystems 1 für einen Verbrennungsmotor 2 eines Kraftfahrzeugs, für den beispielhaft ein Zylinder 3 (von insbesondere mehreren Zylindern) dargestellt ist. Der Verbrennungsmotor 2 ist vorzugsweise als Dieselmotor mit Direkteinspritzung ausgebildet, kann jedoch auch als ein Ottomotor vorgesehen sein.
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Der Zylinder 3 weist ein Einlassventil 4 und ein Auslassventil 5 zur Zufuhr von Frischluft und zur Abführung von Verbrennungsabgas auf.
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Ferner wird Kraftstoff zum Betrieb des Verbrennungsmotors 2 über ein Einspritzventil 6 in einen Brennraum 7 des Zylinders 3 eingespritzt. Kraftstoff wird dazu dem Einspritzventil über eine Kraftstoffzuführung 8 zugeführt, über die Kraftstoff in an sich bekannter Weise (z. B. Common Rail) unter einem hohen Kraftstoffdruck bereitgestellt wird.
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Das Einspritzventil 6 weist eine elektromagnetisch oder piezoelektrisch ansteuerbare Aktuatoreinheit 61 auf, die mit einer Ventilnadel 62 gekoppelt ist. Die Ventilnadel 62 sitzt im geschlossenen Zustand des Einspritzventils 6 auf einem Nadelsitz 63. Durch Ansteuerung der Aktuatoreinheit 61 wird die Ventilnadel 62 in Längsrichtung bewegt und gibt einen Teil einer Ventilöffnung in dem Nadelsitz 63 frei, um den unter Druck stehenden Kraftstoff in den Brennraum 7 des Zylinders 3 einzuspritzen.
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Das Einspritzventil 6 weist weiterhin einen Piezosensor 65 auf, der in dem Einspritzventil 6 angeordnet ist. Der Piezosensor 65 wird durch Druckänderungen in dem durch das Einspritzventil 6 geführten Kraftstoff verformt und durch ein Spannungssignal als Sensorsignal generiert.
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Die Einspritzung erfolgt gesteuert durch eine Steuereinheit 10, die eine einzuspritzende Kraftstoffmenge durch Bestromung der Aktuatoreinheit 61 vorgibt. Das Sensorsignal wird mithilfe eines A/D-Wandlers 11 in der Steuereinheit 10 zeitlich abgetastet, insbesondere mit einer Abtastrate von 0,5 bis 5 MHz.
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Weiterhin ist ein Drucksensor 8 vorgesehen, um einen Kraftstoffdruck stromaufwärts des Einspritzventils 6 zu ermitteln.
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Das Sensorsignal dient im Betrieb des Verbrennungsmotors 2 der Ermittlung eines korrekten Öffnungs- oder Schließzeitpunkts des Einspritzventils 6. Dazu wird das Sensorsignal mithilfe des A/D-Wandlers 11 in eine Auswertungspunkt-Zeitreihe digitalisiert und durch ein geeignetes Zeitpunktbestimmungsmodell ausgewertet, woraus eine Öffnungszeitdauer des Einspritzventils 6 und entsprechend eine eingespritzte Kraftstoffmenge abhängig vom Kraftstoffdruck und weiteren Betriebsgrößen ermittelt werden kann. Zur Bestimmung der Öffnungszeitdauer werden insbesondere ein Öffnungszeitpunkt und ein Schließzeitpunkt benötigt, um die Öffnungszeitdauer als zeitliche Differenz dieser Größen zu ermitteln.
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Die Ermittlung eines Öffnungszeitpunkts und/oder eines Schließzeitpunkts kann aus der Betrachtung des Sensorsignalverlaufs vorgenommen werden. Insbesondere können der Öffnungszeitpunkt und/oder der Schließzeitpunkt mithilfe eines datenbasierten Zeitpunktbestimmungsmodells durchgeführt werden.
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2 veranschaulicht anhand eines Flussdiagramms ein Verfahren zum Ermitteln eines Öffnungs- und/oder Schließzeitpunkts eines Einspritzventils 6 eines Zylinders 3 in einem Motorsystem 1. Das Verfahren dient dazu, Steuerfunktionen für den Verbrennungsmotor 2 wahrzunehmen und insbesondere dazu die eingespritzte Kraftstoffmenge zu ermitteln.
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3 zeigt ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung der Funktionsweise der Bestimmung des Öffnungs- oder Schließzeitpunkts basierend auf einem Zeitpunktbestimmungsmodell und zur Bestimmung eines entsprechenden Konfidenzwerts.
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Das Verfahren wird in der Steuereinheit 10 ausgeführt, in der es in Form einer Software und/oder Hardware implementiert sein kann.
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Das Verfahren wird anhand der Betrachtung eines Einspritzventils 6 für einen einzelnen Zylinder 3 des Verbrennungsmotors 2 beschrieben. Selbstverständlich kann das Verfahren parallel für alle Einspritzventile 6 des Verbrennungsmotors 2, d. h. auch für mehrzylindrige Verbrennungsmotoren, angewendet werden.
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In Schritt S1 wird mithilfe des Piezosensors 65 ein Sensorsignal erfasst. Dieses Signal ist in der Regel ein Spannungssignal, das aufgrund von Druckänderungen im zugeführten Kraftstoff generiert wird.
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In Schritt S2 kann das Sensorsignal mit Hilfe des A/D-Wandlers abgetastet werden, um eine Auswertungspunkt-Zeitreihe B innerhalb eines Auswertungszeitraums zu ermitteln. Der Auswertungszeitraum kann bezüglich eines Ansteuerungszeitfensters des Einspritzventils 6 festgelegt werden. Das Ansteuerungszeitfenster ist durch den Beginn der Ansteuerung der Aktuatoreinheit 61 und eine festgelegte Zeitdauer, die einer maximalen Zeitdauer, in der das Ansteuersignal für die Aktuatoreinheit 61 eine Ventilöffnung vorgibt, definiert. Das Ansteuerungszeitfenster weist somit einen definierten Zeitbezug auf, für den eine Auswertungspunkt-Zeitreihe B bereitgestellt wird, die die Grundlage für die weitere Ermittlung eines Öffnungs- bzw. Schließzeitpunkts A darstellt. Insbesondere kann die Auswertungspunkt-Zeitreihe B durch Downsampling des zuvor überabgetasteten Sensorsignals ermittelt werden.
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Der Auswertungszeitraum kann mit festem Zeitbezug zu den Arbeitstakten des Verbrennungsmotors 2 vorgesehen werden, insbesondere kann der Auswertungszeitraum bei einer vorbestimmten Kurbelwellenlage vorzugsweise innerhalb des Kompressionstaktes beginnen. Der Auswertungszeitraum kann so gewählt sein, dass das gesamte Öffnungszeitfenster des Einspritzventils darin abgebildet werden kann. Ein solcher Auswertungszeitraum mit einer beispielhaften Auswertungspunkt-Zeitreihe B ist als Kurvenverlauf eines Spannungssignals S in 4 dargestellt.
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In Schritt S3 wird die Auswertungspunkt-Zeitreihe B einem Zeitpunktbestimmungsmodell 20 zugeführt, um eine Angabe über einen Öffnungs- oder Schließzeitpunkt Z zu erhalten. Das Zeitpunktbestimmungsmodell 20 kann entsprechend trainiert sein, um abhängig von der Auswertungspunkt-Zeitreihe B einen Öffnungs- oder Schließzeitpunkt Z in geeigneter Weise anzugeben. Der Öffnungs- und Schließzeitpunkt Z kann in geeigneter Weise als Ausgabevektor A bereitgestellt werden.
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Beispielweise kann die Auswertungspunkt-Zeitreihe B als ein Vektor angegeben sein, wobei jedes Element des Vektors einem Zeitabschnitt zugeordnet ist. Der Wert eines Elements des Vektors zeigt dann den Messwert des Sensorsignals zu dem betreffenden Zeitabschnitt an.
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Die Ausgabevektoren A, die jeweils den Öffnungs- oder Schließzeitpunkt Z angeben, weisen die Form eines Logits auf, wobei der Index der Elemente der Ausgabevektoren einen entsprechenden Öffnungs- bzw. Schließzeitpunkt Z, d. h. die Zeitangabe, angibt. Beispielsweise kann bei einer Anzahl von N Auswertungspunkten in der Auswertungspunkt-Zeitreihe B der Ausgabevektor entsprechend eine Anzahl von N Elementen umfassen. Die Indexwerte der Elemente des Ausgabevektors sind dabei aufeinanderfolgenden Zeitpunkten innerhalb des betrachteten Auswertungszeitraums zugeordnet. Insbesondere können die den Elementen/Indexwerten des Ausgabevektors A zugeordneten Zeitpunkte den zeitlich gleichmäßig beabstandeten Auswertungszeitpunkten entsprechen oder in sonstiger Weise aufeinanderfolgende Zeitpunkte angeben.
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Das datenbasierte Zeitpunktbestimmungsmodell 20 kann in Form eines neuronalen Netzes 20 ausgebildet sein, wie es beispielsweise in 3 angegeben ist. Das neuronale Netz 20 kann eine Eingangsschicht 21, optional eine oder mehrere Zwischenschichten 23 mit jeweils einer vorgegebenen Anzahl von Neuronen 22 und eine Ausgabeschicht mit einer Anzahl von Neuronen 22, die der Anzahl der Elemente des Ausgabevektors entspricht, aufweisen. Jedes Neuron 22 kann eine Aktivierungsfunktion zur Nichtlinearisierung aufweisen.
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In einem Schritt S4 wird der Ausgabevektor zur Bestimmung eines Öffnungs- oder Schließzeitpunkt in einer Auswertungseinheit 26 ausgewertet. Dies erfolgt entsprechend der obigen Vorgehensweise, wobei der Zeitpunkt, der dem Indexwert des Elements des Ausgabevektors A mit dem höchsten Wert entspricht, als Öffnungs- oder Schließzeitpunkt Z angenommen wird.
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Um einen Konfidenzwert zu ermitteln, der die Zuverlässigkeit des so bestimmten Öffnungs- oder Schließzeitpunkts Z angibt, ist nun vorgesehen, die Auswertungspunkt-Zeitreihe B, und den Wert des Elements des Ausgangsvektors A mit dem höchsten Wert in einer Salienzkartenerstellungseinheit 25 in Schritt S5 auszuwerten und eine Salienzkarte S zu erstellen.
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Die Salienzkarte S wird ermittelt, indem für das Element des Ausgabevektors A mit dem maximalen Elementwert die jeweiligen Beiträge der Elemente der Auswertungspunkt-Zeitreihe B ermittelt werden, wobei die Salienzkarte S für jeden Zeitpunkt der Auswertungspunkt-Zeitreihe B den jeweiligen Beitrag angibt. Der jeweilige Beitrag der Elemente der Auswertungspunkt-Zeitreihe B kann einem Gradienten des Werts des Elements der Auswertungspunkt-Zeitreihe B bezüglich des Werts des betrachteten Elements des Ausgabevektors A mit dem maximalen Elementwert entsprechen oder von diesem abhängen.
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Die Salienzkarte S kann nun in einer Konfidenzbestimmungseinheit 27 analysiert werden, um einen Konfidenzwert U der aktuellen Auswertung der Auswertungspunkt-Zeitreihe B zu bestimmen. Hierzu können in Schritt S6 aus der Salienzkarte ein oder mehrere relevante Zeitpunkte in der Auswertungspunkt-Zeitreihe B bestimmt werden, die für die Auswertung durch das datenbasierte Zeitpunktbestimmungsmodell 20 am relevantesten waren.
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Dazu werden die Zeitpunkte von maßgeblichen Merkmalen in der Salienzkarte S als relevante Zeitpunkte bestimmt. Die relevanten Zeitpunkte geben diejenigen Elemente der Auswertungspunkt-Zeitreihe B an, die das neuronale Netz zur Auswertung der Auswertungspunkt-Zeitreihe B und zur Bestimmung des Öffnungs- oder Schließzeitpunkts Z maßgeblich verwendet hat. Als der eine oder die mehreren relevanten Zeitpunkte können eine vorgegebene Anzahl von Zeitpunkten mit den größten/kleinsten Elementenwerten der Salienzkarte oder eine vorgegebene Anzahl der größten Abweichungen der Elementenwerte der Salienzkarte von 0 bestimmt werden.
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Es wird in Schritt S7 der Konfidenzwert U ermittelt, abhängig davon, wie die relevanten Zeitpunkte der maßgeblichen Merkmale der Auswertungspunkt-Zeitreihe B von dem tatsächlich bestimmten Öffnungs- und Schließzeitpunkt Z abweichen. Der Konfidenzwert gibt die Konfidenz, d.h. die Zuverlässigkeit des modellierten Öffnungs- oder Schließzeitpunkt Z, an. Je größer der Konfidenzwert, desto größer ist die Zuverlässigkeit/Konfidenz und umgekehrt.
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Liegen die Zeitpunkte der identifizierten Betriebsmerkmale vor dem durch das Zeitpunktbestimmungsmodell 20 ermittelten Öffnungs- oder Schließzeitpunkt Z, so kann von einer niedrigen Konfidenz des bestimmten Öffnungs- oder Schließzeitpunkts Z ausgegangen werden, da das Zeitpunktbestimmungsmodell 20 zur ordnungsgemäßen Bestimmung von Öffnungs- und Schließzeitpunkten sich auf Betriebsmerkmale beziehen muss, die zum Zeitpunkt des Öffnungs- und Schließzeitpunkts Z oder danach aufgetreten sind. Somit wird für identifizierte Zeitpunkte von maßgeblichen Merkmalen vor dem Öffnungs- oder Schließzeitpunkt eine geringe Konfidenz für den Öffnungs- oder Schließzeitpunkt Z angenommen, wobei die Konfidenz von dem Abstand von dem bestimmten Öffnungs- oder Schließzeitpunkt Z abhängen kann, und für Zeitpunkte nach dem bestimmten Öffnungs- und Schließzeitpunkt Z wird eine hohe Konfidenz angenommen.
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Beispielsweise kann der Konfidenzwert gebildet werden, indem diesem eine hohe Konfidenz (z.B. „1“) zugewiesen wird, wenn alle relevanten Zeitpunkte später als der Öffnungs- oder Schließzeitpunkt Z liegen, und diesem eine niedrige Konfidenz (z.B. „0“) zugewiesen werden, wenn mindestens ein Zeitpunkt früher als der Öffnungs- oder Schließzeitpunkt Z liegt.
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Weiterhin kann der Konfidenzwert als der Anteil der relevanten Zeitpunkte nach dem Öffnungs- oder Schließzeitpunkt Z bezogen auf alle relevanten Zeitpunkte gebildet werden.
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Weiterhin kann der Konfidenzwert als der Anteil der relevanten Zeitpunkte nach dem Öffnungs- oder Schließzeitpunkt Z bestimmt werden, wobei die Anzahl der Zeitpunkte vor dem Schließzeitpunkt Z mit dem zeitlichen Abstand zum Öffnungs- oder Schließzeitpunkt Z gewichtet werden.
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Die Trainingsdaten zum Trainieren des neuronalen Netzes umfassen Trainingsdatensätze, die realistische Auswertungspunkt-Zeitreihe B umfassen, denen jeweils ein Ausgabevektor als Label zugeordnet ist.
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Beispielweise kann die Auswertungspunkt-Zeitreihe B der Trainingsdatensätze als ein Vektor angegeben sein, wobei jedes Element des Vektors einem Zeitabschnitt zugeordnet ist. Der Wert eines Elements des Vektors zeigt dann den Messwert des Sensorsignals zu dem betreffenden Zeitabschnitt an.
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Zum Erstellen des Ausgabevektors als Label kann der Zeitraum, in dem der zu bestimmende Öffnungs- bzw. Schließzeitpunkt liegt, in Zeitabschnitte unterteilt werden. Die Ausgabevektoren können die Form eines Logits aufweisen, wobei der Index der Elemente der Ausgabevektoren einen entsprechenden Öffnungs- bzw. Schließzeitpunkt, d. h. die Zeitangabe, wie oben beschrieben angibt.
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Das Training des Zeitpunktbestimmungsmodells kann dann auf den so erstellten Trainingsdaten mithilfe herkömmlicher Trainingsverfahren, wie beispielsweise Backpropagation, durchgeführt werden, um so die Gewichte und ggfs. Bias-Werte der Neuronen 22 in den Zwischenschichten 23 und der Ausgabeschicht 24 zu bestimmen.
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In einem nachfolgenden Schritt S8 wird überprüft, ob der Konfidenzwert U kleiner ist als ein entsprechend vorgegebener Schwellenwert. Ist dies der Fall (Alternative: Ja), wird die Unsicherheit des ermittelten Modellwerts für den Öffnungs- oder Schließzeitpunkt Z als zu hoch angesehen und in Schritt S9 der durch das Zeitpunktbestimmungsmodell ermittelte Öffnungs- oder Schließzeitpunkt Z verworfen. Stattdessen wird ein zuvor ermittelter oder auf andere Weise ermittelter Öffnungs- oder Schließzeitpunkt Z als korrekter Öffnungs- und Schließzeitpunkt angenommen und in Schritt S10 zum Betreiben des Verbrennungsmotors verwendet. Insbesondere kann auf dem zu ermittelnden Öffnungs- bzw. Schließzeitpunkt die tatsächlich eingespritzte Kraftstoffmenge bestimmt und das Motorsystem entsprechend betrieben werden.
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Wird in Schritt S8 festgestellt, dass der Konfidenzwert U höher ist als der vorgegebene Schwellenwert (Alternative: Nein), so wird dem ermittelten Öffnungs- oder Schließzeitpunkt vertraut und dieser in dem nachfolgenden Schritt S10 zum Betreiben des Verbrennungsmotors verwendet. Insbesondere kann auf dem zu ermittelnden Öffnungs- bzw. Schließzeitpunkt Z die tatsächlich eingespritzte Kraftstoffmenge bestimmt und das Motorsystem entsprechend betrieben werden.
