DE19547496A1 - System for determining exact air induction of IC engine - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Regelung von Verbrennungsmotoren, in dem beispielsweise eine Echtzeit-Schätzung der Luftmasse in den Zylindern eines Ver brennungsmotors als Basis für die Zumessung des Kraftstoffs genutzt wird. Echtzeit- Schätzung bedeutet hierbei, daß eine nicht meßbare Größe ausschließlich anhand ver gangener oder gleichzeitiger Meßwerte anderer Größen bestimmt wird, so daß der Schätzwert gleichzeitig zum realen Wert erhalten wird.The invention relates to methods for controlling internal combustion engines, in for example, a real-time estimate of the air mass in the cylinders of a ver internal combustion engine is used as the basis for metering the fuel. Real time Estimation here means that an immeasurable quantity can only be determined using ver current or simultaneous measured values of other sizes is determined so that the Estimated value is obtained simultaneously with the real value.
In der Praxis ist die in die Brennräume eingesaugte Luftmasse mit vertretbarem Auf wand nicht meßbar, muß aber bekannt sein, um eine richtige Zumessung des Kraftstoffs zu ermöglichen, damit durch entsprechende Einstellung der Luftzahl λ ein gewünschtes Betriebsverhalten des Verbrennungsmotors erreicht wird.In practice, the air mass sucked into the combustion chambers is acceptable not measurable, but must be known in order to correctly meter the fuel to enable a desired by adjusting the air ratio λ accordingly Operating behavior of the internal combustion engine is achieved.
Durch die Echtzeit-Schätzung der Luftmasse in den Zylindern eines Verbrennungsmo tors, die sowohl statische als auch dynamische Betriebszustände einschließt, wird beispielsweise ein verläßlicher Vorgabewert für die Kraftstoffeinspritzung erhalten.By real-time estimation of the air mass in the cylinders of a combustion engine tors, which includes both static and dynamic operating states for example, get a reliable default value for fuel injection.
Mit den vorgeschlagenen Verfahren kann nach neuartiger Weise die Luftmasse in den Brennräumen bestimmt werden, um sowohl im statischen als auch im dynamischen Betrieb des Verbrennungsmotors das gewünschte Gemischverhältnis sicherzustellen.With the proposed method, the air mass in the Combustion chambers can be determined to be both static and dynamic Operation of the internal combustion engine to ensure the desired mixture ratio.
Als Beispiel wird hier der Ottomotor gewählt. Ähnliches gilt sinngemäß für den Die selmotor oder andere Verbrennungseinrichtungen.The gasoline engine is chosen here as an example. The same applies analogously to the die selmotor or other combustion devices.
Bei einem Ottomotor tritt an der Drosselstelle ein meßbarer Luftmassenstrom in in das Saugrohr ein, aus welchem die Zylinder während der einzelnen Ansaugtakte der Zylinder den nicht direkt meßbaren Luftmassenstrom out (Last) absaugen. Infolge des Speicherverhaltens des endlichen Saugrohrvolumens kann der meßbare Luftmassen strom an der Drosselstelle in das Saugrohr in nur stationär gleich dem angesaugtem Luftmassenstrom out sein. Der stationäre Betrieb eines Ottomotors in Kraftfahrzeu gen ist jedoch die Ausnahme.In the case of a gasoline engine, a measurable air mass flow enters the intake manifold at the throttle point, from which the cylinders suck out the air mass flow out (load), which cannot be measured directly, during the individual intake cycles of the cylinders. As a result of the memory behavior of the finite Saugrohrvolumens the measurable air mass can flow at the throttle point in the suction pipe in only stationary equal to the sucked air mass flow to be out. However, the stationary operation of a gasoline engine in motor vehicles is the exception.
Die Erfindung ermöglicht die dynamische und stationäre Schätzung des nicht direkt meßbaren in die Brennräume eingesaugten Luftmassenstromes out. Durch Integrati on dieses Luftmassenstromes über die Zeit der Ansaugtakte der einzelnen Zylinder läßt sich die in den einzelnen Zylindern befindliche Luftmasse bestimmen, so daß Kraftstoff in das gewünschte Betriebsverahlten sicherstellenden Weise zugemessen werden kann. Die Schätzung des Luftmassenstromes (Lastschätzung) erfolgt in Echtzeit, also während des Betriebes des Motors, und ist unabhängig von Exemplarstreuungen und Alterungs einflüssen.The invention enables the dynamic and stationary estimation of the air mass flow sucked out into the combustion chambers, which cannot be measured directly. By integrating this air mass flow over the time of the intake strokes of the individual cylinders, the air mass located in the individual cylinders can be determined so that fuel can be metered in the desired manner to ensure safe operation. The air mass flow (load estimate) is estimated in real time, i.e. while the engine is running, and is independent of specimen scatter and aging influences.
Meßgrößen: Zur Schätzung werden der Luftmassenstrom an der Drosselstelle in das Saugrohr in und die thermodynamischen Zustände Druck p und Temperatur T im Saugrohr durchgeführt, sowie eventuell die Motordrehzahl n benötigt, oder gegebenen falls die Drosselklappenstellung. Als Geometriegrößen müssen lediglich das Saugrohrvo lumen und eventuell der Gesamthubraum D bekannt sein. Die vorgestellten Verfahren zur Schätzung der Luftmassen in den Zylindern können auf andere Aufgabenstellungen wie beispielsweise bei der Drosselklappenregelung zur Schätzung der nichtlinearen Ein flüsse bei einer durch einen Servoantrieb bewegten Drosselklappe oder zur Schätzung der in den Zylinder gelangenden Kraftstoffmengen übertragen werden. Ebenso können bei einem elektromechanischen Ventiltrieb bei Verbrennungsmotoren oder beispielswei se bei einem automatisiert zu schaltendem Getriebe dieses Verfahren zur Schätzung nichtlinearer Einflüsse wie Reibung verwendet werden.Variables: the air mass flow at the throttle in the intake manifold in and the thermodynamic states are compressed to estimate p and temperature T performed in the intake manifold, and requires possibly n is the engine speed, or given if the throttle position. Only the intake pipe volume and possibly the total displacement D must be known as geometry sizes. The methods presented for estimating the air masses in the cylinders can be transferred to other tasks, such as in throttle valve control for estimating the non-linear influences in a throttle valve moved by a servo drive or for estimating the fuel quantities entering the cylinder. This method can also be used to estimate non-linear influences such as friction in an electromechanical valve train in internal combustion engines or, for example, in an automatic transmission.
In Motorsteuergeräten des Standes der Technik wird bei Ottomotoren entweder die Massenflußmethode oder die Drehzahl-Dicht-Methode zur Schätzung des angesaugten Luftmassenstromes angewendet. Bei der Massenflußmethode wird der (evtl. nichtline ar gefilterte) Luftmassenstrom in das Saugrohr in als Schätzwert für die tatsächliche Last verwendet, der infolge des Saugrohr-Speicherverhaltens jedoch nur stationär ei ne korrekte Schätzung ermöglicht; dies ist somit bei dynamischen Betriebszuständen nicht geeignet. Bei Verwendung eines off-line bestimmten evtl. nichtlinearen Filters zur Korrektur des Speicherverhaltens wird durch die Exemplarstreuung und/oder Pa rameterdrift eine dynamisch korrekte Schätzung erschwert bzw. verhindert. Infolge des Speicherverhaltens treten bei dieser Methode im dynamischen Betrieb starke Abwei chungen des geschätzten Luftmassenstromes vom tatsächlich in die Zylinder gelangen dem Luftmassenstrom auf.In engine control devices of the prior art, either the mass flow method or the speed-sealing method is used for gasoline engines to estimate the intake air mass flow. In the Massenflußmethode is the (possibly not line ar filtered) air mass flow rate used in the draft tube in as an estimate for the actual load, but only the stationary suction pipe due to the permits memory behavior ei ne correct estimate; this is therefore not suitable for dynamic operating states. When using an off-line, possibly non-linear filter to correct the storage behavior, the specimen scatter and / or parameter drift makes a dynamically correct estimate difficult or prevented. As a result of the storage behavior, this method shows strong deviations in the estimated air mass flow from the air mass actually entering the cylinders in dynamic operation.
Die Drehzahl-Dicht-Methode nutzt dagegen die Abhängigkeit der Last von der das Saugverhalten eines Motors beschreibenden volumetrischen Effizienz, einem Wirkungs grad, welcher von der Drehzahl und den thermodynamischen Zuständen im Saugrohr abhängt. Diese Abhängigkeit wird üblicherweise off-line bestimmt, und im Steuergerät als Kennfeld abgelegt, woraus sich die gleichen Probleme hinsichtlich Exemplarstreu ung und Parameterdrift ergeben wie bei der Massenflußmethode. Bei dieser Methode wird durch das Speicherverhalten des Saugrohres zwar kein dynamischer Fehler erzeugt, jedoch hängt die Güte von der exakten Kenntnis der volumetrischen Effizienz ab.The speed sealing method, on the other hand, uses the dependence of the load on the Suction behavior of a motor describing volumetric efficiency, an effect degree, which depends on the speed and the thermodynamic conditions in the intake manifold depends. This dependency is usually determined off-line, and in the control unit filed as a map, resulting in the same problems with regard to specimen litter and parameter drift result as with the mass flow method. With this method no dynamic error is generated by the storage behavior of the intake manifold, however, the quality depends on the exact knowledge of the volumetric efficiency.
Gemeinsam ist beiden Verfahren, daß die Last entweder nur im dynamischen oder sowohl im stationären als auch im dynamischen Betrieb prinzipiell nicht korrekt geschätzt werden kann. Für eine bestmögliche Konvertierung der Schadstoffe NOx, HC und CO in einem Dreiweg-Katalysator ist jedoch das stöchiometrisches Gemischverhält nis über den gesamten Betriebsbereich eines Ottomotors nötig, so daß ein Verfahren zur korrekten Schätzung der Luftmasse in den Zylindern (Lastschätzung) erforderlich ist.Common to both methods is that the load cannot be correctly estimated either only in dynamic or in both stationary and dynamic operation. For the best possible conversion of the pollutants NO x , HC and CO in a three-way catalytic converter, however, the stoichiometric mixture ratio is necessary over the entire operating range of a gasoline engine, so that a method for correctly estimating the air mass in the cylinders (load estimation) is required.
Die beiden folgenden Verfahren zur Lastschätzung stellen eine einmalige Kombination der beiden oben genannten bekannten Verfahren dar, die nun sowohl im stationären als auch im dynamischen Betrieb eine korrekte Schätzgröße liefern und das Beobach terprinzip benützen.The following two methods of load estimation represent a unique combination of the two known methods mentioned above, which are now both stationary as well as in dynamic operation provide a correct estimate and the observer Use the principle.
Zur korrekten Schätzung der Luftmasse in den Zylindern im dynamischen Betrieb ist das Speicherverhalten des endlichen Volumens des Saugrohres zu berücksichtigen. To correctly estimate the air mass in the cylinders in dynamic operation to take into account the storage behavior of the finite volume of the intake manifold.
Dies geschieht wie folgt: Zur Schätzung des angesaugten Luftmassenstromes wird die Massenbilanzgleichung ausgenutztThis is done as follows: The mass balance equation is used to estimate the intake air mass flow exploited
in - out = (1), in - out = (1),
dies besagt, daß die Differenz der ein- und ausströmenden Massenströme eines Vo lumens die Zeitableitung der in diesem Volumen befindlichen Masse darstellt. Be trachtet werden hier Luftmassenströme, so daß über die Zustandsgleichung des idealen Gasesthis means that the difference between the inflowing and outflowing mass flows of a Vo lumens represents the time derivative of the mass in this volume. Be Air mass flows are sought here, so that via the equation of state of the ideal Gas
pV = mRT (2)pV = mRT (2)
diese Luftmasse zusammen mit der Temperatur T innerhalb des Saugrohres den Druck in diesem bestimmt.this air mass together with the temperature T the pressure inside the intake manifold determined in this.
Wird dabei die Druckänderung infolge der Temperaturänderung vernachlässigt, was bei der Betrachtung, eines Ottomotor-Saugrohres infolge der langsamen Gradienten zulässig ist (die partielle Ableitung kann vernachlässigt werden), so stellt die Ände rung des Saugrohrdrucks ein Maß für die Differenz der Luftmassenströme dar, wie durch Differentiation von Gleichung (2) nach der ZeitIf the pressure change due to the temperature change is neglected, what when considering a gasoline engine intake manifold due to the slow gradients is permissible (the partial derivation can be neglected), so the amendment tion of the intake manifold pressure is a measure of the difference in the air mass flows, such as by differentiating equation (2) over time
gezeigt wird. Soll die Druckänderung infolge der Temperaturänderung nicht vernachlässigt werden, so muß zusätzlich noch ein Korrekturterm berücksichtigt werden, der sich aus den Differentiationsregeln ergibt:will be shown. The pressure change due to the temperature change should not be neglected a correction term must also be taken into account, which results from the differentiation rules result in:
Dieser physikalische Zusammenhang läßt sich für zwei prinzipiell unterschiedliche Ansätze zur Schätzung anwenden, welche im folgenden dargestellt sind. Zur Verifikation sind jeweils Simulationsergebnisse eingebunden, die validiert wurden.This physical relationship can be broken down into two fundamentally different approaches apply to the estimation, which are shown below. Are for verification each simulation results that have been validated.
Das erste Verfahren basiert auf der Differentiation des Saugrohrdruckes. Aus der Beziehung (2) ergibt sich bei Differentiation nach der Zeit ein Schätzwert für den Luftmassenstrom out in die Zylinder bei Vernachlässigung der langsamen und relativ geringen TemperaturänderungThe first method is based on the differentiation of the intake manifold pressure. From the relationship (2), differentiation according to time gives an estimate for the air mass flow out into the cylinders, neglecting the slow and relatively small temperature change
Dieser Ansatz ist in Fig. 2 im Signalflußplan dargestellt. Soll die Zeitableitung der Saugrohrtemperatur nicht vernachlässigt werden, so ist nach Gleichung (4) vorzugehen, es ergibt sich dann der Signalflußplan nach Fig. 3.This approach is shown in Fig. 2 in the signal flow diagram. If the time derivative of the intake manifold temperature is not to be neglected, then proceed according to equation (4); the signal flow diagram according to FIG. 3 then results.
Zur Schätzung des Luftmassenstromes in die Zylinder mit diesem Ansatz ist es nötig, den in das Saugrohrvolumen eintretenden Luftmassenstrom in, den Saugrohr druck p und die Temperatur T im Saugrohr zu messen. In Fig. 4 ist das mittels dieses Differentiationsansatzes online erhaltene Beobachterergebnis dargestellt, gestrichelt der Luftmassenstrom am Saugrohreingang, durchgezogen der Luftmassenstrom in die Zy linder und gepunktet der beobachtete Luftmassenstrom in die Zylinder. Die gepunktete Linie ist in dieser Skalierung nahezu deckungsgleich mit der durchgezogenen Linie, das heißt, der Luftmassenstrom in die Zylinder wird sehr gut geschätzt, davon ausgehend, daß das Drucksignal rauschfrei vorliegt.To estimate the air mass flow into the cylinders with this approach, it is necessary to entering the intake manifold volume mass air flow into the intake manifold pressure p and measure the temperature T in the intake manifold. In Fig. 4, the observer result obtained online by means of this differentiation approach is shown, dashed the air mass flow at the intake manifold inlet, drawn through the air mass flow in the cylinder and dotted the observed air mass flow in the cylinder. In this scaling, the dotted line is almost congruent with the solid line, that is, the air mass flow into the cylinders is very well estimated, assuming that the pressure signal is noise-free.
Zur technischen Realisierung ist eine Rechenvorschrift in einem Motorsteuergerät zu implementieren, welches damit die Meßgrößen Saugrohrdruck und Luftmassenstrom in das Saugrohr verarbeitet. Der Schätzwert für den Luftmassenstrom in die Zylinder wird dabei wie folgt erhalten:For technical implementation, there is a calculation rule in an engine control unit to implement, which thus the measured variables intake manifold pressure and air mass flow processed in the intake manifold. The estimate of the air mass flow into the cylinders is obtained as follows:
- - der Saugrohrdruck p wird differenziert- The intake manifold pressure p is differentiated
- - der mit dem Verhältnis gewichtete Quotient aus differenziertem Saugrohrdruck und Saugrohrtemperatur wird von dem ins Saugrohr einströmenden Luftmassen strom in subtrahiert- the weighted with the ratio of the quotient of differentiated intake manifold pressure and intake manifold will flow from the inflow into the intake manifold air mass in subtracts
- - diese Differenz stellt den Schätzwert für den Luftmassenstrom in die Zylinder out dar- This difference represents the estimated value for the air mass flow into the cylinders out
Dieses Vorgehen ist im Signalflußplan Fig. 2 dargestellt. Soll die Zeitableitung der Saugrohrtemperatur T nicht vernachlässigt werden, so ist zu dem eben erhaltenen Schätzwert noch ein Korrekturterm korr zu addieren, der sich ausThis procedure is shown in the signal flow chart Fig. 2. If the time derivation of the intake manifold temperature T should not be neglected, a correction term corr is to be added to the estimated value that has just been obtained
berechnet. Dieses Vorgehen ist im Signalflußplan Fig. 3 dargestellt.calculated. This procedure is shown in the signal flow chart Fig. 3.
Der erhaltene Schätzwert für den Luftmassenstrom muß über die Zeit des Ein laßtaktes jeden einzelnen Zylinders integriert werden, um die Luftmasse in den jewei ligen Zylindern zu erhalten. Wenn die Änderung der Temperatur mit berücksichtigt werden soll, ist die technische Realisierung entsprechend dem Signalflußplan Fig. 3 durchzuführen. Ansonsten gelten die obigen Anmerkungen.The estimated value for the air mass flow must be integrated over the time of the intake stroke of each individual cylinder in order to obtain the air mass in the respective cylinders. If the change in temperature is also to be taken into account, the technical implementation must be carried out in accordance with the signal flow diagram in FIG . Otherwise the above comments apply.
Das erste Verfahren verwendet als Meßgröße die Zeitableitung des Saugrohrdruckes p, dies ist aufgrund des Meßrauschens problematisch. Im folgenden wird deshalb ein zweites Verfahren beschrieben, welches eine korrekte Schätzung des Luftmassenstromes in die Zylinder ohne Differentiation erlaubt.The first method uses the time derivative of the intake manifold pressure as the measured variable p, this is problematic due to the measurement noise. Therefore, the following is a second method described, which is a correct estimate of the air mass flow allowed into the cylinders without differentiation.
Dazu wird ein Beobachter entworfen, der es ermöglicht, vom Saugrohrdruck p über eine Parameteradaption auf den Luftmassenstrom zu schließen.For this purpose, an observer is designed that enables the intake manifold pressure p to be exceeded to conclude a parameter adaptation to the air mass flow.
Die Differentiation des Saugrohrdruckes kann umgangen werden, indem ein speziel ler Beobachteransatz gewählt wird. Wiederum wird von der Massenbilanzgleichung (1) ausgegangen. Als Beispiel für einen möglichen Beobachteransatz soll die aus dem Saug rohr abgesaugte Luftmasse als Störgröße aufgefaßt werden, welche den Druckaufbau im Inneren des Saugrohres stört. Ausgehend von diesem Ansatz läßt sich ein Störgrößen beobachter entwerfen, wenn gleichzeitig die Abhängigkeit des vom Motor angesaugten Luftmassenstromes vom Saugrohrdruck und der Drehzahl berücksichtigt wird. Diese Abhängigkeit wird als "volumetrische Effizienz" bezeichnet und beschreibt das Saug verhalten des Motors in den erwähnten Abhängigkeiten als dimensionslosen Wirkungs grad zwischen null und eins. Zusammengefaßt in dieser volumetrischen Effizienz sind Einflüsse wie akustische Resonanzen, choked-flow-Effekt an den Einlaßventilen und Ventilüberschneidungen etc. Die volumetrische Effizienz ist maßgeblich Ursache für den buckelförmigen Drehmoment-Drehzahl-Verlauf bei Verbrennungsmotoren. Bei der Betrachtung von Motoren mit variablen Ventilsteuerzeiten tritt zusätzlich noch eine Abhängigkeit der volumetrischen Effizienz vom Phasenwinkel der Steuerzeiten auf. Mittels der volumetrischen Effizienz ηvol kann der vom Motor angesaugte Luftmassen strom nach der Drehzahl-Dichte-Methode wie folgt ermittelt werden (halbe Drehzahl wegen des hier angenommenen Viertaktverfahrens):The differentiation of the intake manifold pressure can be avoided by choosing a special observer approach. Again, the mass balance equation (1) is used. As an example of a possible observer approach, the air mass sucked out of the suction pipe is to be understood as a disturbance variable which interferes with the pressure build-up inside the suction pipe. Based on this approach, a disturbance observer can be designed if the dependence of the air mass flow drawn in by the engine on the intake manifold pressure and the speed is taken into account at the same time. This dependency is referred to as "volumetric efficiency" and describes the suction behavior of the engine in the dependencies mentioned as a dimensionless efficiency between zero and one. Influences such as acoustic resonances, choked-flow effect on the intake valves and valve overlaps etc. are summarized in this volumetric efficiency. The volumetric efficiency is the main cause of the hump-shaped torque-speed curve in internal combustion engines. When considering engines with variable valve timing, the volumetric efficiency also depends on the phase angle of the timing. Using the volumetric efficiency η vol , the air mass flow drawn in by the engine can be determined using the speed-density method as follows (half speed due to the four-stroke process assumed here):
Mit dieser Kenntnis kann der Signalflußplan für das Saugrohr zusammen mit den sau genden Zylinder wie in Fig. 5 gezeichnet werden. Auch hier ist die Zeitableitung der Saugrohrtemperatur vernachlässigt, soll sie berücksichtigt werden, so ist gemäß Glei chung (4) vorzugehen.With this knowledge, the signal flow plan for the intake manifold can be drawn together with the suction cylinder as in Fig. 5. Here too, the time derivation of the intake manifold temperature is neglected; if it is to be taken into account, the equation (4) must be followed.
In der Beziehung (7) sind die Größen n, p und T meßbar, die Volumina D (Hub raum) und V bekannt und konstant, ebenso die Gaskonstante R. Die volumetrische Effizienz ist unbekannt.In relation (7) the quantities n, p and T can be measured, the volumes D (stroke space) and V are known and constant, as is the gas constant R. The volumetric Efficiency is unknown.
Ziel muß es daher sein, einen adaptiven Störgrößenbeobachter zu entwerfen, der diese volumetrische Effizienz korrekt lernt und dadurch die Last korrekt schätzen kann.The aim must therefore be to design an adaptive disturbance variable observer who can learns volumetric efficiency correctly and can therefore correctly estimate the load.
In Fig. 6 ist als Beispiel eines möglichen Beobachteransatzes ein nichtlinearer Störgrößen beobachter dargestellt, welcher im Echtzeit-Betrieb das aktuelle ηvol lernt und somit einen korrekten Schätzwert für die den angesaugten Luftmassenstrom out liefert. Dazu wird ein Adaptionsintegrator verwendet, dessen Ausgang das jeweilige ηvol nachbildet, die Adaption erfolgt über den Beobachterfehler. Es ist dies der "einfache" Beobach teransatz, weil im Gegensatz zum nachfolgend beschriebenen Beobachteransatz auf die Verwendung Künstlicher Intelligenz noch verzichtet wird.In FIG. 6, a potential observer approach is a nonlinear disturbance observer shown as an example in which real-time operating the current η vol learns and thus a correct estimate of the out supplies the sucked air mass flow. For this purpose an adaptation integrator is used, the output of which simulates the respective η vol , the adaptation takes place via the observer error. This is the "simple" observer approach because, in contrast to the observer approach described below, the use of artificial intelligence is still dispensed with.
Die Stabilität kann bei diesem Ansatz mittels linearer Methoden nachgewiesen wer den, wenn die Meßgrößen Drehzahl n und Temperatur im Saugrohr T als konstant angesetzt werden. In der Fig. 7 ist das Beobachterergebnis dargestellt, der geschätzte Luftmassenstrom ist in dieser Skalierung beinahe deckungsgleich mit dem tatsächlichen Luftmassenstrom in die Zylinder.In this approach, the stability can be demonstrated using linear methods if the measured variables speed n and temperature in the intake manifold T are assumed to be constant. In FIG. 7, the result is shown observer, the estimated air mass flow is in this scaling almost congruent with the actual air mass flow into the cylinders.
Zur technischen Realisierung ist eine Beobachter-Rechenvorschrift, etwa gemäß Signalflußplan Fig. 6, in einem Motorsteuergerät zu implementieren, welches damit die Größen Saugrohrdruck und -temperatur,Luftmassenstrom ins Saugrohr und Mo tordrehzahl verarbeitet. For technical implementation, an observer calculation rule, for example according to the signal flow chart Fig. 6, to implement in an engine control unit, which thus processes the sizes intake manifold pressure and temperature, air mass flow into the intake manifold and engine speed.
Eine mögliche Rechenvorschrift kann dabei den Schätzwert für den Luftmassen strom out wie folgt bestimmen:A possible calculation rule can determine the estimated value for the air mass flow out as follows:
- - die Realität "Saugrohr" wird im Beobachter als Parallelmodell dargestellt- The reality "intake manifold" is represented in the observer as a parallel model
- - die reale Aufintegration der mit dem Faktor gewichteten Luftmassenstromdif ferenz wird durch ein Verzögerungsglied erster Ordnung nachgebildet, dessen Ausgang den Verlauf des Saugrohrdruckes nachbildet- The real integration of the air mass flow diff weighted by the factor reference is simulated by a delay element of the first order, the Output simulates the course of the intake manifold pressure
- - durch die zusätzliche Aufschaltung des mit dem durch den Faktor λ ge wichteten Saugrohrdruckes auf den Einganges dieses Verzögerungsgliedes wird erreicht, daß das Verzögerungsglied bei der Übereinstimmung von geschätztem und realem Saugrohrdruck das reale integrierende Verhalten nachbildet, dies ist in Fig. 8 verdeutlicht- By the additional connection of the intake manifold pressure weighted by the factor λ to the input of this delay element, the delay element reproduces the real integrating behavior when the estimated and real intake manifold pressure match, this is illustrated in FIG. 8
- - der Fehler zwischen den Verläufen des realen und geschätzten Saugrohrdruckes entsteht durch die nicht übereinstimmenden Luftmassenstromdifferenzen, das heißt durch den nicht korrekten Schätzwert für den in die Zylinder strömenden Luftmassenstrom -out, da ja der Eingangswert in für Realität und Beobachter gleich ist- The error between the curves of the real and estimated intake manifold pressure arises from the mismatched air mass flow differences , that is to say from the incorrect estimate for the air mass flow flowing into the cylinders -out , since the input value in is the same for reality and observer
- - der in die Zylinder strömende Luftmassenstrom out hängt dabei nach der Be ziehung 7 von Drehzahl und Dichte über die sogenannte volumetrische Effizienz ηvol ab, deren arbeitspunktabhängiger Einfluß im Beobachter durch eine Multi plikation mit einem Integratorausgang nachgebildet werden kann- The air mass flow out flowing into the cylinders depends on the relationship 7 of speed and density via the so-called volumetric efficiency η vol , whose operating point-dependent influence can be simulated in the observer by a multiplication with an integrator output
- - der Eingang dieses Integrators wird über eine Lernschrittweite ν, mit dem Be obachterfehler zwischen realem und geschätztem Saugrohrdruck so beaufschlagt, daß die dadurch erfolgende Adaption den Beobachterfehler zu null macht (rege lungstechnische Stabilität des Beobachters)- The input of this integrator is a learning step size ν, with the Be care error between real and estimated intake manifold pressure that the resulting adaptation makes the observer error zero (active pulmonary stability of the observer)
- - ist der Beobachterfehler zwischen realem und geschätztem Saugrohrdruck null, so wirkt das Verzögerungsglied durch die Beaufschlagung seines Einganges mit dem durch den Faktor λ gewichteten Saugrohrdruck wie ein Integrator mit der Luftmassenstromdifferenz als einzigem Eingang, siehe dazu Fig. 8- If the observer error between the real and estimated intake manifold pressure is zero, the delay element acts as an integrator with the air mass flow difference as the only input by applying its intake manifold pressure weighted by the factor λ, see Fig. 8
- - damit ist die Beobachterstruktur gleich der Realität, was bedeutet, daß bei über einstimmender Streckenstruktur und übereinstimmenden Streckenausgängen (Saug rohrdruck und Schätzwert dafür) auch die Streckeneingänge (Differenz der Luft massenströme) gleich sind- so the observer structure is equal to reality, which means that at over matching route structure and matching route exits (suction pipe pressure and estimated value) also the route inputs (difference of air mass flows) are the same
- - da die Differenz der Luftmassenströme des Beobachters aus gemessenem in und geschätztem out- gebildet wird, ist der geschätzte Luftmassenstrom out somit gleich dem realen Luftmassenstrom in die Zylinder out.- Since the difference between the air mass flows of the observer is formed from the measured in and the estimated out -, the estimated air mass flow out is therefore equal to the real air mass flow into the cylinders out .
Der erhaltene Schätzwert für den Luftmassenstrom muß über die Zeit des Einlaßtaktes jeden einzelnen Zylinders integriert werden, um die Luftmasse in den jeweiligen Zylin dern zu erhalten. The estimated value for the air mass flow must over the time of the intake stroke Every single cylinder can be integrated to the air mass in the respective cylinder to maintain.
Nachteilig bei diesem Beobachteransatz ist das Vergessen gelernten Wissens, da bei Betrieb in einem anderen Arbeitspunkt der durch den Integrator-Ausgang nachgebil dete Parameter ηvol des alten Arbeitspunktes wieder vergessen wird. Dies hat zur Folge, daß immer ein Fehler durch das Nachlernen des Beobachters bei Arbeitspunktverschie bungen entstehen wird.A disadvantage of this observer approach is the forgetting of the knowledge that has been learned, since the parameter η vol of the old working point, which is reproduced by the integrator output, is forgotten again when operating in another working point. The result of this is that an error will always arise due to learning by the observer in the case of working point shifts.
Dies kann vermieden werden, wenn die Ergebnisse der Lernvorgänge im Kennfeld gespeichert werden.This can be avoided if the results of the learning processes in the map get saved.
Ein anderer Ansatz, der ebenso die gelernten Ergebnisse im Kennfeld festhält, kann durch die Verfahren der künstlichen Intelligenz erreicht werden; dies ist als drittes Verfahren - mit der zugehörigen Einrichtung - im folgenden Kapitel dargestellt.Another approach that also records the learned results in the map can be achieved through the processes of artificial intelligence; this is the third Procedure - with the associated equipment - shown in the following chapter.
Ziel bei diesem Beobachteransatz ist die Schätzung des Luftmassenstromes in die Zy linder durch Lernen der volumetrischen Effizienz des Motors mittels Verfahren der künstlichen Intelligenz. Dies stellt die Grundlage zur Praediktion des Luftmassenstro mes dar.The aim of this observer approach is to estimate the air mass flow in the zy linder by learning the volumetric efficiency of the engine using the method of artificial intelligence. This forms the basis for the prediction of the air mass flow mes.
Dazu kann beispielsweise ein Neuronales Netz angesetzt werden, das als Eingangs dimension alle Größen besitzt, von welchen die volumetrische Effizienz abhängt (Saug rohrdruck, Drehzahl, evtl. Ventilsteuerzeiten . . . ). Anstelle eines Neuronalen Netzes kann aber auch jeder adaptive Ansatz verwendet werden, der es erlaubt, eine statische Nicht linearität über einem ein- oder mehrdimensionalem Eingangsraum darzustellen.For this purpose, a neural network can be set up, for example, as an input dimension has all sizes on which the volumetric efficiency depends (suction pipe pressure, speed, possibly valve timing. . . ). Instead of a neural network but also any adaptive approach that allows a static not to be used to represent linearity over a one- or multi-dimensional entrance space.
Hier wird als Beispiel ein General Regression Neural Neural Network verwendet. Dieses, im folgenden als GRNN bezeichnete Neuronale Netz wird dazu verwendet, im vorstehend beschriebenen Beobachteransatz den Einfluß der realen volumetrischen Ef fizienz zu erlernen und als Wissen zur Verfügung zu stellen. Zum besseren Verständnis soll ganz kurz die Wirkungsweise dieses speziellen Neuronalen Netzes erläutert wer den: Der (mehrdimensionale) Eingangsraum ist in rezeptive Felder vieler Neuronen aufgeteilt. Diese Neuronen werden in Abhängigkeit der Entfernung des Eingangszu standes des GRNN verschieden mehr oder weniger aktiviert und tragen dann durch ihr jeweiliges Gewicht entsprechend ihrer Aktivierung zum Ausgangswert des GRNN bei diesem Eingangszustand bei. Die Neuronen stellen dabei Integratoren dar, welche in ihrer Wirkung hauptsächlich innerhalb ihres rezeptiven Feldes wirken. Dies bedeutet, daß bei Verwendung eines GRNN der im vorstehend beschriebenen Ansatz Adaptions integrator durch viele stückweise wirkende Integratoren ersetzt wird. Prinzipiell kann jedoch jeder andere adaptive Ansatz verwendet werden, der es erlaubt, eine statische Nichtlinearität über einem ein- oder mehrdimensionalem Eingangsraum darzustellen.A General Regression Neural Neural Network is used here as an example. This neural network, hereinafter referred to as GRNN, is used in the Observer approach described above the influence of real volumetric Ef to learn efficiency and make it available as knowledge. For better understanding the mode of operation of this special neural network should be explained very briefly den: The (multidimensional) entrance space is in receptive fields of many neurons divided up. These neurons become dependent on the distance of the input status of the GRNN variously more or less activated and then carry through it respective weight according to their activation to the initial value of the GRNN this input state at. The neurons represent integrators, which in their effects mainly work within their receptive field. This means, that when using a GRNN the adaptations described in the above approach integrator is replaced by many piece-wise integrators. In principle can however, any other adaptive approach can be used that allows a static Represent non-linearity over a one- or multi-dimensional entrance space.
Der um das GRNN erweiterte Signalflußplan im Laplacebereich ist in Fig. 9 dar gestellt. Die prinzipielle Funktion dieses Beobachteransatzes mittels GRNN kann bei spielsweise durch das in Az: 195 31 962.4 beschriebene Verfahren und die zugehörige Einrichtung realisiert werden. Im vorliegenden Fall kann bei nicht vernachlässigbarer Meßdynamik beim Saugrohrdruck die strictly positive real-Bedingung, die in Az: 195 31 962.4 noch genannt wurde, durch eine spezielle Struktur des Neuronalen Netzes umgangen werden. Diese spezielle Struktur eines Neuronalen Netzes ist dadurch ge kennzeichnet, daß das Netz interne Dynamik besitzt, also mehrere Zustände neben den Gewichtsintegratoren aufweist, um eine korrekte Korrelation zwischen Fehlersignal und dem das Fehlersignal erzeugenden Netzeingang sicherzustellen.The extended signal flow plan in the Laplace area by the GRNN is shown in FIG. 9. The basic function of this observer approach using GRNN can be realized, for example, by the method described in Az: 195 31 962.4 and the associated device. In the present case, if the dynamics of the intake manifold pressure are not negligible, the strictly positive real condition, which was also mentioned in Az: 195 31 962.4, can be circumvented by a special structure of the neural network. This special structure of a neural network is characterized in that the network has internal dynamics, that is to say it has several states in addition to the weight integrators, in order to ensure a correct correlation between the error signal and the network input generating the error signal.
Das Beobachterergebnis dieses Ansatzes unter Verwendung künstlicher Intelligenz ist in der Fig. 10 dargestellt, das Lernen beginnt bei Zeit t = 0 ohne Vorwissen. In dieser Figur ist der Einschwingvorgang des Beobachters, ein normaler Vorgang bei allen Beobachtungen, zu erkennen. Dieses Schwingen entsteht durch den Lernvorgang in ständig neuen Betriebspunkten in der Drehzahl-Saugrohrdruck-Phasenebene, über der ja die volumetrische Effizienz gelernt wird. Nach dem Lernvorgang wird das Beob achterergebnis deckungsgleich mit dem zu schätzenden Luftmassenstrom sein.The observer result of this approach using artificial intelligence is shown in FIG. 10, the learning begins at time t = 0 without prior knowledge. This figure shows the observer's settling process, a normal process for all observations. This oscillation arises from the learning process in constantly new operating points in the speed-intake manifold pressure phase level, through which the volumetric efficiency is learned. After the learning process, the observer result will be congruent with the air mass flow to be estimated.
Zur technischen Realisierung ist eine Beobachter-Rechenvorschrift, etwa gemäß Si gnalflußplan Fig. 9, in einem Motorsteuergerät zu implementieren, welches damit die Größen Saugrohrdruck und -temperatur, Luftmassenstrom ins Saugrohr und Motor drehzahl verarbeitet. Eine mögliche Rechenvorschrift kann dabei mittels einem Neuro nalen Netz spezieller, Struktur (hier General Regression Neural Network) den Schätz wert für den Luftmassenstrom out wie folgt bestimmen:For technical implementation, an observer calculation rule, for example according to Si gnalflußplan Fig. 9, to implement in an engine control unit, which thus processes the sizes intake manifold pressure and temperature, air mass flow into the intake manifold and engine speed. A possible calculation rule can use a neural network with a special structure (here general regression neural network) to determine the estimated value for the air mass flow out as follows:
- - die Realität "Saugrohr" wird im Beobachter als Parallelmodell dargestellt- The reality "intake manifold" is represented in the observer as a parallel model
- - die reale Aufintegration der mit dem Faktor gewichteten Luftmassenstromdif ferenz wird durch ein Verzögerungsglied erster Ordnung nachgebildet, dessen Ausgang den Verlauf des Saugrohrdruckes nachbildet- The real integration of the air mass flow diff weighted by the factor reference is simulated by a delay element of the first order, the Output simulates the course of the intake manifold pressure
- - durch die zusätzliche Aufschaltung des mit dem durch den Faktor λ ge wichteten Saugrohrdruckes auf den Einganges dieses Verzögerungsgliedes wird erreicht, daß das Verzögerungsglied bei der Übereinstimmung von geschätztem und realem Saugrohrdruck das reale integrierende Verhalten nachbildet, dies ist in Fig. 11 verdeutlicht- By the additional connection of the intake manifold pressure weighted by the factor λ to the input of this delay element, it is achieved that the delay element simulates the real integrating behavior when the estimated and real intake manifold pressure match, this is illustrated in FIG. 11
- - der Fehler zwischen den Verläufen des realen und geschätzten Saugrohrdruckes entsteht durch die nicht übereinstimmenden Luftmassenstromdifferenzen, das heißt durch den nicht korrekten Schätzwert für den in die Zylinder strömenden Luftmassenstrom -out, da ja der Eingangswert in für Realität und Beobachter gleich ist- The error between the curves of the real and estimated intake manifold pressure arises from the mismatched air mass flow differences , that is to say from the incorrect estimate for the air mass flow flowing into the cylinders -out , since the input value in is the same for reality and observer
- - der in die Zylinder strömende Luftmassenstrom out hängt dabei nach der Bezie hung 7 von Drehzahl und Dichte über die sogenannte volumetrische Effizienz ηvol ab, deren nichtlineare Abhängigkeit von den Größen Drehzahl und Saugrohrdruck im Beobachter durch eine Multiplikation mit dem Ausgang eines Neuronalen Net zes mit diesen beiden Eingängen nachgebildet werden kann- The air mass flow out flowing into the cylinders depends on the relationship 7 of speed and density via the so-called volumetric efficiency η vol , whose non-linear dependence on the variables speed and intake manifold pressure in the observer by multiplying with the output of a neural network these two inputs can be replicated
- - die Gewichte der Neuronen dieses Neuronalen Netzes werden dabei mit einer Lernschrittweite ν durch den Beobachterfehler entsprechend der Aktivierung der einzelnen Neuronen an den verschiedenen Arbeitspunkten so verstellt, daß die dadurch erfolgende Adaption den Beobachterfehler zu null macht (regelungstech nische Stabilität des Beobachters)- The weights of the neurons of this neural network are with a Learning step size ν due to the observer error corresponding to the activation of the individual neurons at the various working points so that the the resulting adaptation makes the observer error zero (control tech stability of the observer)
- - ist der Beobachterfehler zwischen realem und geschätztem Saugrohrdruck null, so wirkt das Verzögerungsglied durch die Beaufschlagung seines Einganges mit dem durch den Faktor λ gewichteten Saugrohrdruck wie ein Integrator mit der Luftmassenstromdifferenz als einzigem Eingang, siehe dazu Fig. 8- If the observer error between the real and estimated intake manifold pressure is zero, the delay element acts as an integrator with the air mass flow difference as the only input by applying its intake manifold pressure weighted by the factor λ, see Fig. 8
- - damit ist die Beobachterstruktur gleich der Realität, was bedeutet, daß bei über einstimmender Streckenstruktur und übereinstimmenden Streckenausgängen (Saug rohrdruck und Schätzwert dafür) auch die Streckeneingänge (Differenz der Luft massenströme) gleich sind- so the observer structure is equal to reality, which means that at over matching route structure and matching route exits (suction pipe pressure and estimated value) also the route inputs (difference of air mass flows) are the same
- - da die Differenz der Luftmassenströme des Beobachters aus gemessenem in und geschätztem out- gebildet wird, ist der geschätzte Luftmassenstrom out somit gleich dem realen Luftmassenstrom in die Zylinder out.- Since the difference between the air mass flows of the observer is formed from the measured in and the estimated out -, the estimated air mass flow out is therefore equal to the real air mass flow into the cylinders out .
Der erhaltene Schätzwert für den Luftmassenstrom muß über die Zeit des Einlaßtaktes jeden einzelnen Zylinders integriert werden, um die Luftmasse in den jeweiligen Zylin dern zu erhalten. Bei beeinflußbaren Ventilsteuerzeiten (VANOS, anderer Ventiltrieb als über eine Nockenwelle) muß diese Kenntnis ebenfalls verwendet werden, etwa als zusätzliche Eingangsdimension im Neuronalen Netz.The estimated value for the air mass flow must over the time of the intake stroke Every single cylinder can be integrated to the air mass in the respective cylinder to maintain. If valve timing can be influenced (VANOS, other valve train than via a camshaft) this knowledge must also be used, for example as additional input dimension in the neural network.
Der vorgestellte Ansatz eines lernfähigen Beobachters bietet die Grundlage zur Prädik tion des Luftmassenstromes in die Zylinder, das heißt, es ist möglich, allein von den Saugrohrzuständen Druck und Temperatur zusammen mit der Drehzahl (evtl. Phasen winkel der Einlaßventile) auf den Luftmassenstrom zu schließen. Dies sei in der Fig. 12 dargestellt, die allein auf der Basis des vorher gelernten Wissens die Last schätzt, ohne den ins Saugrohr einströmenden Luftmassenstrom zu kennen. Bei diesem Vorge hen kann der Signalflußplan nach Abb. 8 beispielsweise so vereinfacht werden, daß die Größen Druck p, Temperatur T und Drehzahl n gemessen werden, die nichtlinearen Kennlinienfelder, die vom GRNN gelernt werden, vorliegen und als Kennlinienfelder fest implementiert sind. Dadurch kann der Aufwand der Realisierung erheblich verrin gert werden.The approach presented by a learnable observer provides the basis for predicting the air mass flow into the cylinders, which means that it is possible to deduce the air mass flow solely from the intake manifold states of pressure and temperature together with the speed (possibly phase angle of the intake valves). This is shown in FIG. 12, which estimates the load solely on the basis of the knowledge previously learned, without knowing the air mass flow flowing into the intake manifold. In this procedure, the signal flow plan according to FIG. 8 can be simplified, for example, by measuring the pressure p, temperature T and speed n, the nonlinear characteristic fields learned by the GRNN, and permanently implemented as characteristic fields. As a result, the cost of implementation can be reduced considerably.
Dieser Sachverhalt kann dazu verwendet werden, die Luftmasse in den Zylindern zu prädizieren, indem vom Drosselklappen-Lagewinkel auf die ins Saugrohr strömende Luftmasse in Abhängigkeit der thermodynamischen Zustände in nächster Zukunft ge schlossen wird, damit der Saugrohrzustand vorhergesagt wird, von dem dann auf die Last in nächster Zukunft geschlossen werden kann.This fact can be used to measure the air mass in the cylinders to predict by moving from the throttle position angle to the flowing into the intake manifold Air mass depending on the thermodynamic conditions in the near future is closed so that the intake manifold condition is predicted, from which then on the Load can be closed in the near future.
Die vorgestellten Ansätze von Beobachtern bieten die Grundlage zur Regelung des Luftmassenstromes in die Zylinder. Nach dem Lernen beispielsweise des nichtlinearen Pumpverhaltens der Zylinder ηvol steht diese Information zur Verfügung, um den Soll wert des Saugrohrdruckes vorzugeben, durch den ein gewünschter Luftmassenstrom in die Zylinder bei vorgegebener Drehzahl erreicht werden kann. Somit kann über eine Saugrohrdruck-Regelung gezielt die Luftmasse in den Brennräumen eingestellt werden. The approaches presented by observers provide the basis for regulating the air mass flow into the cylinders. After learning, for example, the non-linear pump behavior of the cylinders η vol , this information is available in order to specify the setpoint value of the intake manifold pressure through which a desired air mass flow into the cylinders can be achieved at a predetermined speed. In this way, the air mass in the combustion chambers can be specifically adjusted via an intake manifold pressure control.
Wie bereits in Kapitel 1 angemerkt wurde, können die beschriebenen Verfahren und Einrichtungen auch auf andere Aufgabenstellungen beim Verbrennungsmotor oder an deren technischen Einrichtungen übertragen werden.As already noted in Chapter 1, the methods and Facilities also for other tasks with the internal combustion engine or on their technical facilities are transferred.
Wie in den vorherigen Kapiteln beschrieben, erfolgte in den Beobachtern bei der An wendung auf das Saugrohr eines Verbrennungsmotors eine Lastschätzung. Das Ergeb nis der Lastschätzung kann beispielsweise als Sollwert oder als Störgröße interpretiert werden. Je nach Interpretation kann die Information in der Motorsteuerung weiterver arbeitet werden. Wenn beispielsweise die Lastschätzung als Störgröße in einem Prozeß interpretiert wird, dann kann nach dem Stand der Technik die Störgröße durch ei ne Störgrößen-Aufschaltung unterdrückt werden. In gleicher Weise können nach dem Stand der Technik unerwünschte Einwirkungen als Störgrößen interpretiert werden.As described in the previous chapters, the observers did the An apply a load estimate to the intake manifold of an internal combustion engine. The result The load estimate can, for example, be interpreted as a setpoint or as a disturbance variable will. Depending on the interpretation, the information can be passed on in the engine control be working. For example, if the load estimate is a disturbance variable in a process is interpreted, then according to the prior art the disturbance variable by ei ne feedforward control can be suppressed. In the same way, after State of the art undesirable influences are interpreted as disturbance variables.
Diese Sichtweise gestattet die Anwendung des anmeldungsgemäßen Verfahrens auf ei ne Vielzahl technischer Einrichtungen, bei denen nichtlineare Rückwirkungen innerhalb des betrachteten Prozesses identifiziert beziehungsweise kompensiert werden sollen.This perspective allows the application of the method according to the application to egg A large number of technical facilities with non-linear repercussions within of the process under consideration should be identified or compensated for.
Wenn in Erweiterung der oben beschriebenen Verfahren die Regelung der Drosselklap penstellung behandelt wird, dann ist bekannt, daß die Regelung der Drosselklappen stellung aufgrund nichtlinearer Rückwirkungen schwer zu realisieren ist. Der Grund für die Schwierigkeit sind nichtlineare Effekte wie die nichtlineare Federkonstante, die Reibungseffekte und die Momente an der Drosselklappe durch den Luftstrom in das Saugrohr. Wenn der Einfluß dieser Effekte geschätzt werden könnte und das resultieren de Signal dieser Effekte zur Störgrößen-Aufschaltung verwendet wird, dann verbleibt eine einfach zu regelnde Strecke. Das Ziel muß daher sein, die Effekte in der sich aus wirkenden Summe zu schätzen.If, in addition to the procedures described above, the throttle valve control is treated, then it is known that the control of the throttle valves position is difficult to achieve due to non-linear repercussions. The reason for the difficulty are nonlinear effects like the nonlinear spring constant that Friction effects and the moments on the throttle valve due to the air flow into it Intake manifold. If the influence of these effects could be estimated and the result de signal of these effects is used for feedforward control, then remains an easy to control route. The goal must therefore be to see the effects in the to estimate the effective sum.
Ausgehend von diesem Gedanken, können wieder geeignete Beobachter entworfen wer den, um die Einwirkung zu schätzen. Als universeller Beobachter - d. h. Beobachter für lineare, nichtlineare und mehrdimensionale Zusammenhänge - eignet sich eine Struktur mit künstlicher Intelligenz, wie beispielsweise mit General Regression Neural Network in Fig. 8. Mittels dem GRNN-Ansatz wurde in Fig. 8 die volumetrische Effizienz ηvol geschätzt. In gleicher Weise ist eine Schätzung der unerwünschten Einflüsse und anschließender Störgrößen-Aufschaltung bei der Drosselklappe möglich. In einer weite ren Anwendung - dem Kraftstoffpfad - kann in gleicher Weise bei Saugrohreinspritzung des Kraftstoffs der in die Zylinder gelangende Kraftstoff geschätzt werden.Based on this idea, suitable observers can be designed to estimate the impact. A structure with artificial intelligence, such as, for example, with General Regression Neural Network in FIG. 8, is suitable as a universal observer - that is, observers for linear, non-linear and multidimensional relationships . In FIG. 8, the volumetric efficiency η vol was estimated using the GRNN approach . In the same way, it is possible to estimate the undesirable influences and subsequent feedforward control in the throttle valve. In another application - the fuel path - the fuel entering the cylinders can be estimated in the same way when the fuel is injected into the intake manifold.
Aus dem Sektor Kraftfahrzeugtechnik sollen auch noch die Anwendungsmöglichkeiten auf einen elektromechanischen Ventiltrieb und ein automatisiert zu schaltendes Getrie be genannt werden.The fields of application are also said to be from the automotive technology sector to an electromechanical valve train and an automatic gearbox be called.
FigurenverzeichnisFigure index
1 Schematische Darstellung des Saugrohrs eines Ottomotors,
2 Darstellung des ersten beschriebenen Ansatzes zur Schätzung des Luft
massenstromes in die Zylinder im Signalflußplan. Benötigt wird die Zeit
ableitung des Saugrohrdruckes p,
3 Darstellung des ersten beschriebenen Ansatzes zur Schätzung des Luft
massenstromes in die Zylinder mit Berücksichtigung der Zeitableitung
der Saugrohrtemperatur,
4 Ergebnis mit dem obenstehend beschriebenen Differenzieransatz, Aus
schnitt, gestrichelt der Luftmassenstrom am Saugrohreingang, durchge
zogen der Luftmassenstrom in die Zylinder und gepunktet der beobachtete
Luftmassenstrom in die Zylinder,
5 Signalflußplan des Luftpfades im Frequenzbereich mit Saugrohr und Zy
lindern,
6 Signalflußplan eines möglichen nichtlinearen Beobachteransatzes zur
Lastschätzung. Der unbekannte Parameter ηvol, abhängig von Saugrohr
druck und Drehzahl, wird in allen Arbeitspunkten des Motors durch einen
einzigen Integrator nachgebildet. Durch die Parameter λ und ν im Be
obachterkreis läßt sich die Beobachterdynamik einstellen,
7 Ergebnis mit dem obenstehend beschriebenen einfachen Beobachteran
satz, Ausschnitt, gestrichelt der Luftmassenstrom am Saugrohreingang,
durchgezogen der Luftmassenstrom in die Zylinder und gepunktet der
beobachtete Luftmassenstrom in die Zylinder. Auch hier sind die durch
gezogene und gepunktete Linie beinahe deckungsgleich, also erfolgt eine
korrekte Schätzung. Vorteilhaft bei diesem Ansatz im Vergleich zum vor
stehenden Ansatz ist, daß kein Meßsignal differenziert werden muß,
8 Verdeutlichung des Beobachterprinzips,
9 Signalflußplan eines möglichen nichtlinearen Beobachteransatzes mit
GRNN zur Nachbildung der Abhängigkeit der volumetrischen Effizienz
vom Saugrohrdruck und der Drehzahl. Bei verstellbaren Ventilsteuerzei
ten muß diese Abhängigkeit durch eine zusätzliche Eingangsdimension
des GRNN berücksichtigt werden,
10 Ergebnis mit dem obenstehend beschriebenen lernfähigen Beobachteran
satz ohne jedes Vorwissen, Ausschnitt, gestrichelt der Luftmassenstrom
am Saugrohreingang, durchgezogen der Luftmassenstrom in die Zylin
der und gepunktet der beobachtete Luftmassenstrom in die Zylinder. Gut
zu erkennen ist das Einschwingen des Beobachters in jedem einzelnen
Betriebspunkt in der Drehzahl-Saugrohrdruck-Phasenebene,
11 Verdeutlichung des Beobachterprinzips,
12 Ergebnis mit dem obenstehend Beobachteransatz, Auswertung allein auf
der Basis bereits gelernten Wissens, keinerlei online-Adaption, Aus
schnitt, gestrichelt der Luftmassenstrom am Saugrohreingang, durchge
zogen der Luftmassenstrom in die Zylinder und gepunktet der beobachtete
Luftmassenstrom in die Zylinder,
13 Das Neuronale Netz umfaßt interne Zustände (Dynamik H₂(s)) zur
Korrelation zwischen Schatzwert und Netzeingang.1 Schematic representation of the intake manifold of a gasoline engine,
2 Representation of the first approach described for estimating the air mass flow into the cylinders in the signal flow diagram. The time derivative of the intake manifold pressure p is required.
3 representation of the first described approach for estimating the air mass flow into the cylinders, taking into account the time derivative of the intake manifold temperature,
4 Result with the differentiation approach described above, section, dashed the air mass flow at the intake manifold inlet, the air mass flow drawn into the cylinders and dotted the observed air mass flow into the cylinders,
5 Alleviate the signal flow diagram of the air path in the frequency range with the intake manifold and Zy
6 Signal flow diagram of a possible non-linear observer approach for load estimation. The unknown parameter η vol , depending on intake manifold pressure and speed, is simulated in all working points of the engine by a single integrator. The parameters λ and ν in the circle of observers can be used to set the dynamics of the observer
7 Result with the simple observer approach described above, detail, dashed the air mass flow at the intake manifold inlet, the air mass flow drawn into the cylinders and the observed air mass flow dotted into the cylinders. Here, too, the lines drawn and dotted are almost congruent, so a correct estimate is made. The advantage of this approach compared to the previous approach is that no measurement signal has to be differentiated,
8 clarification of the observer principle,
9 Signal flow diagram of a possible non-linear observer approach with GRNN to simulate the dependence of the volumetric efficiency on the intake manifold pressure and the speed. In the case of adjustable valve timing, this dependency must be taken into account by an additional input dimension of the GRNN,
10 Result with the learnable observer approach described above without any prior knowledge, detail, dashed the air mass flow at the intake manifold inlet, the air mass flow drawn into the cylinder and dotted the observed air mass flow into the cylinder. The oscillation of the observer at each individual operating point in the speed-intake manifold pressure phase plane is clearly recognizable,
11 clarification of the observer principle,
12 Result with the above observer approach, evaluation solely on the basis of already learned knowledge, no online adaptation, detail, dashed line the air mass flow at the intake manifold inlet, the air mass flow drawn into the cylinders and the observed air mass flow dotted into the cylinders,
13 The neural network comprises internal states (dynamics H₂ (s)) for the correlation between the treasure value and the network input.
Claims (84)
- - der Saugrohrdruck p wird differenziert
- - der mit dem Verhältnis gewichtete Quotient aus differenziertem Saugrohr druck und Saugrohrtemperatur wird von dem ins Saugrohr einströmenden Luftmassenstrom in subtrahiert
- - diese Differenz stellt den Schätzwert für den Luftmassenstrom in die Zylinder out dar
- - dieser Schätzwert für den Luftmassenstrom in die Zylinder out wird über den Einlaßtakt der einzelnen Zylinder integriert und ergibt so die Luftmasse in den einzelnen Zylindern
- - The intake manifold pressure p is differentiated
- - the weighted with the ratio of the quotient of differentiated intake manifold pressure and intake manifold temperature is subtracted from the inflow into the intake manifold air mass flow in
- - This difference represents the estimated value for the air mass flow into the cylinders out
- - This estimate for the air mass flow into the cylinders out is integrated via the intake stroke of the individual cylinders and thus results in the air mass in the individual cylinders
- - der Saugrohrdruck p wird differenziert
- - der mit dem Verhältnis gewichtete Quotient aus differenziertem Saugrohr druck und Saugrohrtemperatur wird von dem ins Saugrohr einströmenden Luftmassenstrom in subtrahiert
- - ein aus den Meßgrößen T, und p gebildeter Korrekturterm wird addiert
- - diese Summe stellt den Schätzwert für den Luftmassenstrom in die Zylinder out dar
- - dieser Schätzwert für den Luftmassenstrom in die Zylinder out wird über den Einlaßtakt der einzelnen Zylinder integriert und ergibt so die Luftmasse in den einzelnen Zylindern
- - The intake manifold pressure p is differentiated
- - the weighted with the ratio of the quotient of differentiated intake manifold pressure and intake manifold temperature is subtracted from the inflow into the intake manifold air mass flow in
- - A correction term formed from the measured variables T and p is added
- - this sum represents the estimated value for the air mass flow into the cylinders out
- - This estimate for the air mass flow into the cylinders out is integrated via the intake stroke of the individual cylinders and thus results in the air mass in the individual cylinders
- - die Realität "Saugrohr" wird im Beobachter als Parallelmodell dargestellt
- - die reale Aufintegration der mit dem Faktor gewichteten Luftmassen stromdifferenz wird durch ein Verzögerungsglied erster Ordnung nach gebildet, dessen Ausgang den Verlauf des Saugrohrdruckes nachbildet
- - durch die zusätzliche Aufschaltung des mit dem durch den Faktor λ gewichteten Saugrohrdruckes auf den Einganges dieses Verzögerungsglie des wird erreicht, daß das Verzögerungsglied bei der Übereinstimmung von geschätztem und realem Saugrohrdruck das reale integrierende Verhalten nachbildet, dies ist in Fig. 8 verdeutlicht
- - der Fehler zwischen den Verläufen des realen und geschätzten Saugrohr druckes entsteht durch die nicht übereinstimmenden Luftmassenstromdif ferenzen, das heißt durch den nicht korrekten Schätzwert für den in die Zylinder strömenden Luftmassenstrom out, da ja der Eingangswert in für Realität und Beobachter gleich ist
- - der in die Zylinder strömende Luftmassenstrom out hängt dabei nach der Beziehung 7 von Drehzahl und Dichte über die sogenannte volumetrische Effizienz ηvol ab, deren arbeitspunktabhängiger Einfluß im Beobachter durch eine Multiplikation mit einem Integratorausgang nachgebildet werden kann
- - der Eingang dieses Integrators wird über eine Lernschrittweite ν mit dem Beobachterfehler zwischen realem und geschätztem Saugrohrdruck so beauf schlagt, daß die dadurch erfolgende Adaption den Beobachterfehler zu null macht (regelungstechnische Stabilität des Beobachters)
- - ist der Beobachterfehler zwischen realem und geschätztem Saugrohrdruck null, so wirkt das Verzögerungsglied durch die Beaufschlagung seines Ein ganges mit dem durch den Faktor λ gewichteten Saugrohrdruck wie ein Integrator mit der Luftmassenstromdifferenz als einzigem Eingang, siehe dazu Fig. 8
- - damit ist die Beobachterstruktur gleich der Realität, was bedeutet, daß bei übereinstimmender Streckenstruktur und übereinstimmenden Strecken ausgängen (Saugrohrdruck und Schätzwert dafür) auch die Streckeneingänge (Differenz der Luftmassenströme) gleich sind
- - da die Differenz der Luftmassenströme des Beobachters aus gemessenem in und geschätztem -out gebildet wird, ist der geschätzte Luftmassenstrom out somit gleich dem realen Luftmassenstrom in die Zylinder out
- - der erhaltene Schätzwert für den Luftmassenstrom muß über die Zeit des Einlaßtaktes jeden einzelnen Zylinders integriert werden, um die Luftmasse in den jeweiligen Zylindern zu erhalten
- - mögliche mathematische Transformationen sind Bestandteil des Anspruchs.
- - The reality "intake manifold" is represented in the observer as a parallel model
- - The real integration of the air mass flow difference weighted by the factor is formed by a delay element of the first order, the output of which simulates the course of the intake manifold pressure
- - By the additional connection of the intake manifold pressure weighted by the factor λ to the input of this delay element, it is achieved that the delay element simulates the real integrating behavior when the estimated and real intake manifold pressure match, this is illustrated in FIG. 8
- - the error between the profiles of the real and estimated intake manifold pressure arises conferences by the non-matching Luftmassenstromdif, that is out by the incorrect estimate of the air flowing into the cylinder air mass flow, since the input value for reality and observers equal
- - The air mass flow out flowing into the cylinders depends on the relationship 7 of the speed and density via the so-called volumetric efficiency η vol , the influence of which on the operating point can be simulated in the observer by multiplication with an integrator output
- - The input of this integrator is subjected to the learning error between the real and the estimated intake manifold pressure over a learning step size ν in such a way that the resulting adaptation makes the viewing error zero (control-technical stability of the viewer)
- - If the observer error between the real and the estimated intake manifold pressure is zero, the delay element acts by acting on its input with the intake manifold pressure weighted by the factor λ like an integrator with the air mass flow difference as the only input, see Fig. 8
- - This means that the observer structure is the same as reality, which means that if the route structure and the route match, outputs (intake manifold pressure and estimated value therefor) also the route inputs (difference in air mass flows) are the same
- - Since the difference between the air mass flows of the observer is formed from measured in and estimated -out , the estimated air mass flow out is therefore equal to the real air mass flow into the cylinders out
- - The estimated value for the air mass flow must be integrated over the time of the intake stroke of each individual cylinder in order to obtain the air mass in the respective cylinders
- - Possible mathematical transformations are part of the claim.
- - die Realität "Saugrohr" wird im Beobachter als Parallelmodell dargestellt
- - die reale Aufintegration der mit dem Faktor gewichteten Luftmassen stromdifferenz wird durch ein Verzögerungsglied erster Ordnung nach gebildet, dessen Ausgang den Verlauf des Saugrohrdruckes nachbildet
- - durch die zusätzliche Aufschaltung des mit dem durch den Faktor λ gewichteten Saugrohrdruckes auf den Einganges dieses Verzögerungsglie des wird erreicht, daß das Verzögerungsglied bei der Übereinstimmung von geschätztem und realem Saugrohrdruck das reale integrierende Verhalten nachbildet, dies ist in Fig. 8 verdeutlicht
- - der Fehler zwischen den Verläufen des realen und geschätzten Saugrohr druckes entsteht durch die nicht übereinstimmenden Luftmassenstromdif ferenzen, das heißt durch den nicht korrekten Schätzwert für den in die Zylinder strömenden Luftmassenstrom out, da ja der Eingangswert in für Realität und Beobachter gleich ist
- - der in die Zylinder strömende Luftmassenstrom out hängt dabei nach der Beziehung 7 von Drehzahl und Dichte über die sogenannte volumetrische Ef fizienz ηvol ab, deren arbeitspunktabhängiger Einfluß im Beobachter durch eine Multiplikation mit dem Ausgang einer Adaptionseinrichtung nachgebil det werden kann
- - der Eingang dieser Adaptionseinrichtung wird über eine Lernschrittweite ν, mit dem Beobachterfehler zwischen realem und geschätztem Saugrohrdruck so beaufschlagt, daß die dadurch erfolgende Adaption den Beobachterfehler zu null macht (regelungstechnische Stabilität des Beobachters)
- - ist der Beobachterfehler zwischen realem und geschätztem Saugrohrdruck null, so wirkt das Verzögerungsglied durch die Beaufschlagung seines Ein ganges mit dem durch den Faktor λ gewichteten Saugrohrdruck wie ein Integrator mit der Luftmassenstromdifferenz als einzigem Eingang, siehe dazu Fig. 8
- - damit ist die Beobachterstruktur gleich der Realität, was bedeutet, daß bei übereinstimmender Streckenstruktur und übereinstimmenden Strecken ausgängen (Saugrohrdruck und Schätzwert dafür) auch die Streckeneingänge (Differenz der Luftmassenströme) gleich sind
- - da die Differenz der Luftmassenströme des Beobachters aus gemessenem in und geschätztem -out gebildet wird, ist der geschätzte Luftmassenstrom out somit gleich dem realen Luftmassenstrom in die Zylinder out
- - der erhaltene Schätzwert für den Luftmassenstrom muß über die Zeit des Einlaßtaktes jeden einzelnen Zylinders integriert werden, um die Luftmasse in den jeweiligen Zylindern zu erhalten
- - mögliche mathematische Transformationen sind Bestandteil des Anspruchs.
- - The reality "intake manifold" is represented in the observer as a parallel model
- - The real integration of the air mass flow difference weighted by the factor is formed by a delay element of the first order, the output of which simulates the course of the intake manifold pressure
- - By the additional connection of the intake manifold pressure weighted by the factor λ to the input of this delay element, it is achieved that the delay element simulates the real integrating behavior when the estimated and real intake manifold pressure match, this is illustrated in FIG. 8
- - the error between the profiles of the real and estimated intake manifold pressure arises conferences by the non-matching Luftmassenstromdif, that is out by the incorrect estimate of the air flowing into the cylinder air mass flow, since the input value for reality and observers equal
- - The air mass flow out flowing into the cylinders depends on the relationship 7 of speed and density via the so-called volumetric efficiency η vol , whose influence on the operating point can be simulated in the observer by multiplying it by the output of an adaptation device
- - The input of this adaptation device is subjected to the learning error between the real and the estimated intake manifold pressure over a learning step size ν in such a way that the resulting adaptation makes the observer error zero (control-technical stability of the observer)
- - If the observer error between the real and the estimated intake manifold pressure is zero, the delay element acts by acting on its input with the intake manifold pressure weighted by the factor λ like an integrator with the air mass flow difference as the only input, see Fig. 8
- - This means that the observer structure is the same as reality, which means that if the route structure and the route match, outputs (intake manifold pressure and estimated value therefor) also the route inputs (difference in air mass flows) are the same
- - Since the difference between the air mass flows of the observer is formed from measured in and estimated -out , the estimated air mass flow out is therefore equal to the real air mass flow into the cylinders out
- - The estimated value for the air mass flow must be integrated over the time of the intake stroke of each individual cylinder in order to obtain the air mass in the respective cylinders
- - Possible mathematical transformations are part of the claim.
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