DE19745682A1

DE19745682A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung von Kenngrößen

Info

Publication number: DE19745682A1
Application number: DE1997145682
Authority: DE
Inventors: Werner Hess
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-10-16
Filing date: 1997-10-16
Publication date: 1999-04-22
Anticipated expiration: 2017-10-17
Also published as: DE19745682B4; JP4263275B2; JPH11190681A

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung von Kenngrößen gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.

Bei modernen Steuerungssystemen für Antriebseinheiten, ins besondere für Brennkraftmaschinen, werden vielfach motorspe zifische Kenngrößen verwendet, die in einem Speicher des Mo torsteuergeräts beispielsweise als Kennlinien, Kennfelder oder Tabellen abhängig von meßbaren Betriebsgrößen der An triebseinheit und/oder des Fahrzeugs abgelegt sind. Ein Bei spiel für derartige Kenngrößen zeigt die WO-A 95/24550. Dort wird zur Steuerung einer Brennkraftmaschine ein Momentenmo dell dargestellt, welches auf einen optimalen Zündwinkel, das heißt auf den Zündwinkel, bei dem die Brennkraftmaschine das höchste Drehmoment erzeugt, und auf eine vorgegebene Ge mischzusammensetzung (z. B. λ=1) bezogen ist. Das durch Steuerung von Kraftstoffzumessung, Zündwinkel und/oder Luft durchsatz zur Brennkraftmaschine einzustellende Motormoment wird ebenso wie das Istmoment der Brennkraftmaschine unter Berücksichtigung von Kennfeldern für den optimalen Zündwin kel und für das optimale Moment der Brennkraftmaschine bei optimalem Zündwinkel sowie des Abstandes der tatsächlichen Werte des Zündwinkels und ggf. von λ von den optimalen Wer ten berechnet. In der Regel werden dazu Kennfelder und Kenn linien verwendet. Die Kennfelder für die optimalen Werte sind dabei drehzahl- und füllungsabhängig, während die Kenn linien den jeweiligen Wirkungsgrad abhängig von den Abstän den darstellen, das heißt den Einfluß des Abstandes des op timalen Zündwinkels zum tatsächlichen Zündwinkel und der Einfluß der tatsächlich eingestellten Gemischzusammensetzung zur vorgegebenen auf das Moment der Brennkraftmaschine be schreiben. Ferner ist der Einfluß der Gemischzusammenset zung, d. h. der Abweichung vom vorgegebenen Wert, und gegebe nenfalls der Einfluß der Abgasrückführrate und/oder einer Nockenwellenverstellung auf das Kennfeld des optimalen Zünd winkels zu berücksichtigen (vgl. WO-A 97/21029).

Ein Weg zur Bestimmung dieser Kennfelder und Kennlinien, das heißt zur Bedatung des Momentenmodells, der in der Vergan genheit beschritten wurde, ist, für jeden Motortyp Messungen am Motorprüfstand vorzunehmen. Mit Hilfe der erfaßten Meßda ten wird dann das Momentenmodell, d. h. die Kenngrößen, von Hand derart abgestimmt, daß die berechneten Werte mit den gemessenen möglichst gut übereinstimmen. Dies ist ein itera tiver Prozeß, wobei der Abgleich der Kenngrößendaten, wäh rend des Meßvorgangs für jeden einzelnen Betriebspunkt durchgeführt wird. Die Qualität der Bedatung, von der die Qualität der Momentensteuerung selbst abhängt, ist somit subjektiven Einflüssen des jeweiligen Fachpersonals ausge setzt. Ferner dauert die Bedatung sehr lange Zeit.

Es ist Aufgabe der Erfindung, Maßnahmen anzugeben, die die Ermittlung derartiger Kenngrößen verbessern.

Dies wird durch die kennzeichnenden Merkmale der unabhängi gen Patentansprüche erreicht.

Optimierungsverfahren und Gradientenverfahren sind aus der Veröffentlichung "P.E. Gill, W. Murray: Quasi-Newton Methods for Unconstrained Optimization, Journal of the Institute of Mathematics and its Applications, Vol. 9 (1972), S. 91-108" bekannt.

Vorteile der Erfindung

Durch die Auftrennung von Meßdatenerfassung und Meßdatenaus wertung wird die automatische Abarbeitung eines vorgegebenen Meßprogramms am Prüfstand möglich. Die erfaßten Meßdaten werden anschließend von einem Optimierungsprogramm ausgewer tet, so daß die Kenngrößen schneller, zuverlässiger und ohne subjektiven Einfluß des Fachpersonals ermittelt werden.

Besonders vorteilhaft ist damit eine Steigerung der Qualität der Bedatung verbunden, die direkt zu einer Steigerung der Qualität, insbesondere der Genauigkeit, des Momentenmodells und damit der Motorsteuerung selbst führt.

Besonders vorteilhaft ist, daß das die Meßdaten auswertende Optimierungsprogramm die jeweilige Kenngröße solange vari iert, bis der Fehler zwischen dem gemessenen und dem berech neten Drehmoment möglichst klein wird. Somit werden vom Op timierungsprogramm als Ergebnis direkt die gesuchten Kenn größen, das heißt die gesuchten Modellparameter, ermittelt.

Vorteilhaft ist mit Blick auf die schnelle Konvergenz des Optimierungsverfahrens die Verwendung eines Gradientenver fahrens, bei welchem der Gradient eines Gütekriteriums Grundlage der Optimierung ist.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Be schreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In Fig. 1 ist ein Beispiel einer Kennlinie des Zündwinkelwir kungsgrades für einen bestimmten Motortyp dargestellt. An dieser Kennlinie wird die prinzipielle Vorgehensweise zur Kenngrößenermittlung erläutert. In Fig. 2 ist der Ablauf der Ermittlung der Kenngrößen eines Momentenmodells darge stellt.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vorgehensweise zur Ermittlung einer Kenngröße ist am Beispiel der Ermittlung des Zündwinkelwirkungsgrades in Verbindung mit einem Momen tenmodell gemäß dem eingangs genannten Stand der Technik dargestellt. Fig. 1 zeigt ein Diagramm, in welchem der Zündwinkelwirkungsgrad über der Züudwinkelspätverstellung (in °KW, Kurbelwellenwinkel) aufgetragen ist. Dabei sind mit Kreuzen der aus Meßwerten ermittelte Wirkungsgrad darge stellt, während die durch Optimierung der Modellwerte mit tels der Meßwerte gebildete Kennlinie als durchgezogene Li nie dargestellt ist.

Die Vorgehensweise zur Bestimmung der Wirkungsgradkennlinie, die im Modell abgelegt wird, ist wie folgt: Zunächst wird ein vorgegebenes Meßprogramm für den jeweiligen Motor am Prüfstand abgearbeitet. Dabei werden verschiedene Betriebs punkte angefahren, die durch vorgegebene Werte der Motor drehzahl, der Füllung und (bei einer die Gemischzusammenset zung variierende Motorsteuerung) der Abgaszusammensetzung λ gekennzeichnet sind. In diesem Zusammenhang wird unter Fül lung eine die Motorlast repräsentierende Größe verstanden, z. B. die relative Luftfüllung der Zylinder pro Hub, die an gesaugte Luftmasse, die Motorlast, der Saugrohrdruck, etc. Bei jedem Betriebspunkt wird der Zündwinkel variiert und das vom Motor abgegebene effektive Drehmoment (das nach außen abgegebene Moment) aufgenommen. Ferner wird in den gleichen Betriebspunkten, d. h. bei gleichen Füllungs- und Drehzahl werten, im unbefeuerten Betrieb das Schleppmoment ermittelt. Nach Abarbeiten des Meßprogramms liegen somit für jeden Be triebspunkt und für jeden Zündwinkel Meßdaten bezüglich des vom Motor abgegebenen effektiven Moments und des Schleppmo ments vor.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird durch das Momenten modell das Hochdruckmoment berechnet (Verbrennungsmoment, welches in der Hochdruckphase während des Verbrennungsvor gangs erzeugt wird), ist zu den gemessenen effektiven Momen ten das im gleichen Betriebspunkt ermittelte Schleppmoment im unbefeuerten Betrieb hinzuaddieren. Durch Vergleich die ses gemessenen Moments mit dem optimalen Moment (Moment bei optimaler Einstellung) werden die in Fig. 1 mit Kreuzen be zeichneten Meßpunkte ermittelt.

Nach Erfassung der Meßdaten werden diese durch ein Optimie rungsprogramm ausgewertet. Neben den Meßdaten (Momentenwerte für jeden Betriebspunkt und jeden Zündwinkel, effektives Mo ment plus Schleppmoment) werden für die entsprechenden Fül lungs-, Drehzahl-, λ-, und Zündwinkelwerte die Modellmomen tenwerte (Verbrennungsmoment der Brennkraftmaschine, das heißt das Moment während der Hochdruckphase), die gemäß des aus dem Stand der Technik bekannten Momentenmodell mit An fangswerten für den oder die Wirkungsgrade, für die Kennfel der des optimalen Moments und des optimalen Zündwinkel sowie für die korrigierenden Einflüsse auf den optimalen Zündwin kel berechnet.

Die Optimierung kann nach verschiedenen Gütekriterien erfol gen, den die Abweichung von gemessenen und berechneten Daten unterworfen wird. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird als Gütekriterium die Minimierung der Summe der Fehler quadrate zwischen den gemessenen und den durch das Modell berechneten Momenten eingesetzt. Alternativ hierzu sind auch andere Gütekriterien denkbar, z. B. die Minimierung des Feh lerquadrats der relativen Fehler oder die Minimierung des maximalen Fehlers. Ausgehend von den Anfangswerten werden dabei die Modellparameter (Wirkungsgrade, Kennfeldwerte, etc.) durch das Optimierungsprogramm solange verändert, bis das Abbruchkriterium erfüllt ist und die Abweichungen opti mal sind.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Gütekriterium durch die folgende Gleichung dargestellt:

mit:
n Anzahl der Betriebspunkte mit vorgegebener Drehzahl und Füllung
k Anzahl der Messungen in einem Betriebspunkt mit ver schiedenen Zündwinkel und λ-Einstellungen
M_i gemessenes Moment (gemessenes effektives Moment + gemessenes Verlustmoment)
M_iopt optimales Moment bei λ=1 (Kennfeldberechnung)
zw_opt optimaler Zündwinkel bei λ=1 (Kennfeldberechnung)
etalam λ-Wirkungsgrad (Modellkennlinie)
etadzw Zündwinkelwirkungsgrad (Modellkennlinie)
Δzw Verschiebung des optimalen Zündwinkels abhängig von λ (Modellkennlinie)
zw eingestellter Basiszündwinkel.

In einem System ohne λ-Beeinflussung, bei dem der Motor mit festem, z. B. stöchiometrischen λ betrieben wird, kann auf die Einflußfaktoren etalam und Δzw verzichtet werden.

Das Optimierungsprogramm verändert nach der Methode der kleinsten Quadrate die Modellparameter (M_iopt, zw_opt, etadzw, etalam und Δzw) nach bekannten Routinen solange, bis das Ab bruchkriterium des vorgegebene Gütekriterium erfüllt ist, d. h. der Fehler minimiert ist. Dies ergibt eine optimale An passung der Modellparameter an die Meßwerte, so daß eine au tomatische, einfache, zuverlässige Bestimmung der Kenngrößen erfolgt. Experimente haben gezeigt, daß eine Standardabwei chung von 1,5 Nm im Momentenwert mit vertretbarem Aufwand ohne weiteres zu erreichen ist und daß diese Genauigkeit für die Steuerung der Brennkraftmaschine nach dem Momentenmodell zufriedenstellende Ergebnisse bringt.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die Abhängigkeiten des optimalen Zündwinkels von der Gemischzusammensetzung, die Kennlinie des λ- und die des Zündwinkelwirkungsgrades in einer Näherung als Polynome höherer Ordnung dargestellt. Dies bietet den Vorteil, daß für jeden Betriebspunkt zusätz lich zum Gütekriterium die Gradienten des Gütekriteriums nach den einzelnen Parametern hergeleitet werden können und ein Gradientenverfahren mit Auswertung der berechneten Gra dienten benutzt wird. Dies führt zu einer schnelleren Kon vergenz der Optimierung. Derartige Gradientenverfahren sind z. B. aus dem eingangsgenannten Stand der Technik ebenso wie das Optimierungsverfahren bekannt.

In Fig. 2 ist anhand eines Flußdiagramms die prinzipielle Vorgehensweise zur Kenngrößenermittlung dargestellt. Nach Start des Ermittlungsprogramms wird in einem ersten Schritt S1 ein vorgegebener Betriebspunkt, im bevorzugten Ausfüh rungsbeispiel ein bestimmter Drehzahlwert, Füllungswert und λ-Wert angefahren. Im darauffolgenden Schritt S2 werden dann die Meßdaten erfaßt, im bevorzugten Ausführungsbeispiel das effektive Motormoment in diesem Betriebspunkt bei verschie denen Zündwinkeleinstellungen sowie das entsprechende Schleppmoment. Im Schritt S3 wird überprüft, ob die Meßda tenerfassung beendet ist, das heißt, ob alle vorgesehenen Betriebspunkte angefahren und alle Meßdaten erfaßt sind. Ist dies nicht der Fall, wird mit einem anderen Betriebspunkt und Schritt S1 weitergefahren.

Sind die Meßdaten alle erfaßt, wird im Schritt S4 die Meßda tenauswertung gestartet. Im darauffolgenden Schritt S5 wer den die Kenngrößendaten aus den Meßdaten unter Berücksichti gung des Modells mittels des Gütekriteriums im Rahmen einer Optimierung wie oben dargestellt ermittelt. Danach legen die Kenngrößendaten vor und das Modell ist bedatet.

Ist eine Nockenwellenverstellung der Brennkraftmaschine und/oder eine Abgasrückführung vorgesehen, so ist der Ein fluß dieser Funktionen auf den optimalen Zündwinkel entspre chend zu berücksichtigen wie der λ-Einfluß.

Wird nicht das Hochdruckmoment, sondern ein anderes Moment durch das Modell ermittelt (z. B. das effektive Moment), so wird die oben geschilderte Vorgehensweise entsprechend ange wendet.

Das geschilderte Verfahren wird in vorteilhafter Weise nicht nur in Verbindung mit dem erwähnten Momentenmodell einge setzt, sondern auch zur Bedatung andere Modelle, die der Steuerung einer Antriebseinheit dienen, z. B. ein Modell zur Berechnung der Zylinderfüllung, ein Modell zur Ermittlung der Abgastemperatur, etc.

Neben der Anwendung auf Modelle zur Steuerung einer An triebseinheit wird die Vorgehenswiese auch zur Bedatung von Modelle zur Steuerung eines Getriebes oder einer Bremsanlage mit dem entsprechenden Erfolg eingesetzt.

Claims

1. Verfahren zur Ermittlung von Kenngrößen, welche Teil ei nes Modells zur Steuerung einer Antriebseinheit eines Fahr zeugs sind und die je nach Typ der Antriebseinheit unter schiedlich sein können, wobei zunächst durch automatische Abarbeitung eines vorgegebenen Meßprogramms Meßdaten für we nigstens eine Betriebsgröße der Antriebseinheit für ver schiedene Betriebspunkte der Antriebseinheit erfaßt werden und wobei in einem zweiten Schritt die Kenngrößen durch Op timierung der Abweichung der gemessenen und der auf der Ba sis der Kenngrößen berechneten Werte der Betriebsgröße er mittelt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Modell ein Modell für das Drehmoment einer Brennkraftma schine ist, mit dem auf der Basis von Drehzahl, einer die Last repräsentierenden Größe, der Zündwinkeleinstellung und gegebenenfalls der λ-Einstellung, der Nockenwellenstellung oder der Abgasrückführrate ein Drehmoment der Brennkraftma schine bestimmt wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der Meßdaten für je den durch einen bestimmten Drehzahlwert, einen Wert der die Last repräsentierenden Größe und ggf. λ-Wert gekennzeich nende Betriebspunkt unter Variation des Zündwinkels das Drehmoment der Brennkraftmaschine ermittelt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß das Drehmoment der Brennkraftma schine nach Maßgabe des Modells berechnet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Schleppmoment bei den entsprechenden Betriebspunkten im unbefeuerten Betrieb ermittelt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß im Rahmen der Optimierung die Ab weichung der gemessenen Momentenwerte und der berechneten Momentenwerte minimiert werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß bei der Optimierung als Gütekrite rium die Minimierung der Summe der Fehlerquadrate eingesetzt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß im Rahmen der Optimierung der Gra dient eines Gütekriteriums hergeleitet und ausgewertet wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß das Modell zur Steuerung eines Ge triebes und/oder einer Bremsanlage dient.

10. Vorrichtung zur Ermittlung von Kenngrößen, welche Teil eines Modells zur Steuerung einer Antriebseinheit sind und die je nach Typ der Antriebseinheit unterschiedlich sein können, mit einem Speicherelement, in welchem ein Meßpro gramm abgelegt ist, welches automatisch zur Meßdatenerfas sung abgearbeitet wird und wenigstens eine Betriebsgröße der Antriebseinheit für verschiedene Betriebspunkte der An triebseinheit erfaßt, in welchem ein Optimierungsprogramm abgelegt ist, welches die Kenngrößen durch Optimierung der Abweichung der gemessenen und der auf der Basis der Kenngrö ßen berechneten Werte der Betriebsgröße ermittelt.