DE19908077A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln von Kenngrößen einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln von Kenngrößen einer Brennkraftmaschine

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Abstract

Verfahren und Vorrichtung zum Bedaten eines Modells zum Ermitteln von Kenngrößen zum Steuern einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung oder Saugrohreinspritzung, wobei für jeden vorbestimmten Betriebspunkt der Brennkraftmaschine mindestens ein lokales Modell insbesondere niedriger Ordnung bedatet wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bedaten eines Modells zum Ermitteln von Kenngrößen einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung oder Saugrohreinspritzung.
Aus der noch unveröffentlichten Patentanmeldung DE 197 45 682 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung von Kenngrößen, welche Teil eines Modells zur Steuerung einer Antriebseinheit sind und die je nach Typ der Antriebseinheit unterschiedlich sein können bekannt. Dort wird zunächst durch automatische Abarbeitung eines vorgegebenen Meßprogramms Meßdaten für wenigstens eine Betriebsgröße der Antriebseinheit für verschiedene Betriebspunkte der Antriebseinheit erfaßt. Dann wird in einem zweiten Schritt die Kenngrößen durch Optimierung der Abweichung der gemessenen und der auf der Basis der Kenngrößen berechneten Werte der Betriebsgröße ermittelt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art derart zu verbessern, daß mit möglichst geringem Meßaufwand ein Modell einer Brennkraftmaschine möglichst genau bedatet werden kann, um daraus optimale Kenngrößen zum Steuern einer Brennkraftmaschine zu gewinnen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteile der Erfindung
Der besonders große Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß die Bedatung eines lokalen Modells einer Brennkraftmaschine mit einem minimalen Aufwand an Messungen möglich ist. Dies steht damit im Gegensatz zu der aufwendigeren Rastervermessung.
Das Bedaten eines Modells bedeutet in diesem Zusammenhang, daß Modellkoeffizienten bzw. Modellparameter so bestimmt werden, daß die Abweichung zwischen der realen Brennkraftmaschine und dem Modell der Brennkraftmaschine minimal wird.
Ein lokales Modell bedeutet, daß das Modell nur für einen vorbestimmten Betriebspunkt der Brennkraftmaschine bedatet wird und nur für diesen vorbestimmten Betriebspunkt der Brennkraftmaschine gültig ist.
Beispielsweise sind zur Bedatung eines Modells einer Brennkraftmaschine mit Hilfe des Rasterverfahrens, wobei nur eine Betriebsgröße und drei Einflußgrößen der Brennkraftmaschine betrachtet werden und wobei die Einflußgrößen nur in drei Schritten variiert werden 33 = 27 Messungen notwendig. Mit einem lokalen Modell zweiter Ordnung sind dagegen nur 10 Messungen notwendig, um das Modell vollständig zu bestimmen bzw. zu bedaten.
Mit steigender Anzahl an Einflußgrößen und Betriebsgrößen werden die Vorteile einer lokalen Modellierung noch deutlicher. Werden beispielsweise fünf Einflußgrößen und eine Betriebsgröße der Brennkraftmaschine im Modell berücksichtigt und werden die fünf Einflußgrößen zur Bedatung des Modells in fünf Schritten verändert, so müssen 55 = 3125 Messungen durchgeführt werden. Dagegen sind beispielsweise mit einem lokalen Modell zweiter Ordnung mit Wechselwirkungen erster Ordnung nur 26 Messungen notwendig, um das Modell zu bedaten bzw. zu bestimmen. Um den Modellfehler abzuschätzen und die Meßfehler besser zu kompensieren, werden in der Praxis jedoch mehr als 26 Messungen durchgeführt.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß durch den Einsatz lokaler Modelle niedriger Ordnung ein einfaches und übersichtliches mathematisches Modell der Brennkraftmaschine geschaffen wird.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich in Verbindung mit den Unteransprüchen aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Die Fig. 1 zeigt schematisch eine Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem Steuergerät.
Die Fig. 2a zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine mit Einflußgrößen und Betriebsgrößen für den Schichtbetrieb.
Die Fig. 2b zeigt den gewählten Modellansatz eines Polynoms zweiter Ordnung mit Wechselwirkungen erster Ordnung.
Die Fig. 3 zeigt schematisch den Verfahrensablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Obwohl die vorliegende Erfindung am Beispiel einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung näher beschrieben wird, kann diese Erfindung zur Steuerung beliebiger elektromechanischer Systeme, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, die mit einer Steuervorrichtung ausgerüstet werden können, angewendet werden.
Wie in der Fig. 1 dargestellt, wird bei einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung 10 Frischluft mittels eines Saugrohres 19 über ein Einlaßventil 20 einer Brennkammer 21 zugeführt. Über eine Drosselklappe 22 kann die Menge der in die Brennkammer 21 zugeführten Frischluft gesteuert werden. Ein Luftmengenmesser 23 erfaßt die in die Brennkraftmaschine einströmende Frischluft.
Ein Einspritzventil 24 und eine Zündkerze 45 sind im Zylinderkopf 25 angeordnet. Mittels einer Hochdruckpumpe 26 wird der Kraftstoff auf einen Arbeitsdruck gebracht und über eine Kraftstoffleitung 27 und Einspritzventile 24 in die Brennkammer 21 gespritzt.
Mit Hilfe der Zündkerze 45 wird der eingespritzte Kraftstoff entzündet. Durch die Ausdehnung des entzündeten Kraftstoffs wird ein Kolben 44 angetrieben. Weiterhin weist die Brennkammer 21 ein Auslaßventil 28 zum Ausstoß der bei einer Verbrennung entstehenden Abgase auf.
Eine Lambda-Sonde 29 ist in einem Abgasrohr 30 angeordnet. Mit Hilfe der Lambda-Sonde 29 im Abgasrohr 30 kann der Sauerstoffanteil im Abgas gemessen werden, wodurch das Luft- Kraftstoff-Verhältnis im Gemisch ermittelt werden kann. Im Abgasrohr 30 ist weiterhin ein Katalysator 46 angeordnet. Der Katalysator 46 hat die Aufgabe schädliche Abgaskomponenten wie CO, HC und NO in CO2, H2O und N2 umzuwandeln.
Eine AGR-Leitung 31 verbindet das Ausstoßrohr 30 mit dem Saugrohr 19, wodurch aufgrund des höheren Drucks im Ausstoßrohr 30 Abgase vom Ausstoßrohr 30 in das Ansaugrohr 19 geleitet werden. Mit Hilfe des AGR-Ventils 32 kann der Abgastrom in der AGR-Leitung 31 gesteuert werden.
Von einem Kraftstofftank bzw. Aktivkohlebehälter 33 führt eine Tankentlüftungsleitung 34 zum Saugrohr 19, wodurch zusätzlich Kraftstoff in das Saugrohr 19 und damit auch in den Brennraum 21 gelangen kann. Mittels eines Tankentlüftungsventils 35 kann der Kraftstofffluß in der Tankentlüftungsleitung 34 gesteuert werden.
Die Steuerung der gesamten Brennkraftmaschine 10 erfolgt mittels eines Steuergeräts 11. Weiterhin kann das Steuergerät 11 ein Getriebe 16, ein Bremssystem 17 und beliebige weitere elektromechanische Systeme 18 steuern. Über Signal- und Steuerleitungen 36 sind die verschiedenen Sensoren und Aktuatoren mit dem Steuergerät 11 verbunden.
Die Brennkraftmaschine 10 kann in verschiedenen Betriebsarten betrieben werden, die sich im wesentlichen durch den Einspritzzeitpunkt, den Zündzeitpunkt und der Zylinderfüllung unterscheiden. Zwischen den Betriebsarten der Brennkraftmaschine 10 kann mit Hilfe des Steuergeräts 11 umgeschaltet werden. Die wesentlichen Betriebsarten der Brennkraftmaschine sind der Homogenbetrieb "hom" und der Schichtbetrieb "sch".
Im Homogenbetrieb "hom", wird der Kraftstoff von dem Einspritzventil 24 während einer durch die Kolbenbewegung hervorgerufenen Ansaugphase in den Brennraum 21 eingespritzt. Über die Drosselklappe 22 wird gleichzeitig Luft angesaugt. Die angesaugte Luft verwirbelt den Kraftstoff, der sich dadurch im Brennraum annähernd gleichmäßig bzw. homogen verteilt. Das Kraftstoff-Luft- Gemisch wird anschließend verdichtet, um dann von einer Zündkerze 45 entzündet zu werden. Das entzündete Kraftstoff- Luft-Gemisch dehnt sich aus und treibt den Kolben 44 an. Das entstehende Drehmoment hängt im Homogenbetrieb im wesentlichen von der Stellung der Drosselklappe 22 ab und ist damit im wesentlichen proportional zur Frischgasfüllung rl in den Zylindern. Um ein hohes Drehmoment und eine geringe Schadstoffentwicklung bei der Verbrennung zu erzielen, wird das Luft-Kraftstoff-Gemisch möglichst auf Lambda = 1 oder Lambda < 1 eingestellt. Der Homogenbetrieb wird im Vollastbereich der Brennkraftmaschine eingestellt.
Im Schichtbetrieb "sch" wird die Drosselklappe 22 weit geöffnet, wodurch die Brennkraftmaschine nahezu ungedrosselt betrieben wird. Der Kraftstoff wird während der Verdichtungsphase derart eingespritzt, daß sich zum Zündzeitpunkt eine zündfähige Luft-Kraftstoff-Wolke in der unmittelbaren Umgebung der Zündkerze befindet. Dann wird die Luft-Kraftstoff-Wolke von der Zündkerze 45 entzündet und durch die folgende Ausdehnung der entzündeten Luft- Kraftstoff-Wolke der Kolben 44 angetrieben. Das entstehende Drehmoment hängt im Schichtbetrieb im wesentlichen von der eingespritzten Kraftstoffmasse rk ab. Der Schichtbetrieb wird im Teillastbereich der Brennkraftmaschine eingestellt.
Um ein optimales Drehmoment und eine geringe Schadstoffentwicklung bei der Verbrennung zu erzielen, müssen im Schichtbetrieb einige Einflußgrößen mehr als im Homogenbetrieb berücksichtigt werden. Im Homogenbetrieb werden in der Regel nur der Zündwinkel zw und das normierte Luft-Kraftstoff-Verhälnis Lambda als maßgebliche Einflußgrößen berücksichtigt. Dagegen müssen im Schichtbetrieb in der Regel der Zündwinkel zw, das normierte Luft-Kraftstoff-Verhälnis Lambda, der Winkel des der Einspritzbeginns wesb, das Verhältnis von Saugrohrdruck zu Umgebungsdruck ps/pu, die Abgasrückführrate agr, der Kraftstoffdruck prail, die Stellung der Ladungsbewegungsklappe lb und die Ventilüberlappung vvs als maßgeblichen Einflußgrößen berücksichtigt werden.
Bei der Wahl der maßgeblichen Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung sind die Verhältnisse ähnlich. Im Homogenbetrieb werden in der Regel nur der spezifischen Kraftstoffverbrauch be, das Klopfen Kl und die Abgastemperatur tab als Betriebsgrößen berücksichtigt. Im Schichtbetrieb müssen in der Regel bis zu sieben Betriebsgrößen berücksichtigt werden. Das sind der spezifische Kraftstoffverbrauch be, das Klopfen Kl, die Abgastemperatur tab, die Laufunruhe LU, die Kohlenwassestoffemission EHC, die Stickoxydemission ENOX, der Rußanteil im Abgas SZB und der mittlere Verbrennungsdruck pmi.
Aufgrund der Vielzahl an maßgeblichen Einfluß- und Betriebsgrößen sind ungefähr um den Faktor 103 mehr Messungen im Schichtbetrieb als im Homogenbetrieb der Brennkraftmaschine notwendig, um ein Modell des Schichtbetriebs mit Hilfe des Rasterverfahrens zu bedaten.
Die Fig. 2a zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, wobei insbesondere die für den Schichtbetrieb relevanten Größen dargestellt sind. In einem Block 201 sind die Größen dargestellt, die einen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 10 im Schichtbetrieb kennzeichnen.
Betriebspunktgrößen
nmot: Drehzahl
rk: relative Kraftstoffmasse
In einem Block 202 sind die Einflußgrößen der Brennkraftmaschine im Schichtbetrieb dargestellt.
Einflußgrößen
zw: Zündwinkel
wesb: Winkel des Einspritzbeginns
ps/pu: Verhältnis von Saugrohrdruck zu Umgebungsdruck
agr: Abgasrückführrate
prail: Kraftstoffdruck
lb: Stellung der Ladungsbewegungsklappe
vvs: Ventilüberlappung
lambda: normiertes Luft-Kraftstoff-Verhältnis
Im Block 203 ist schematisch die Brennkraftmaschine dargestellt. In Block 204 sind die Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine im Sichtbetrieb dargestellt.
Betriebsgrößen
be: Kraftstoffverbrauch, der im Schichtbetrieb proportional zum abgegebenen Moment Md
EHC: Kohlenwasserstoffemission
ENOx
: Stickoxydemission
SZB: Rußanteil im Abgas (Rußzahl)
pmi: mittlerer Verbrennungsdruck
LU: Laufunruhe
Tab: Abgastemperatur
Im Block 205 sind die Randbedingungen dargestellt, die für die Bedatung des Models notwendig sind. Beispielsweise sind das ein Stationärbetrieb der Brennkraftmaschine, ein Schichtbetrieb als eingestellte Betriebsart und eine Bewertung der Rohabgasemissionen.
In der Fig. 2a ist ein Beispiel für einen Modellansatz dargestellt, mit dem der Zusammenhang zwischen den Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine und den Einflußgrößen im Schichtbetrieb ermittelt werden soll. Dieses Modell wird für jeden Betriebspunkt der Brennkraftmaschine für den Schichtbetrieb aufgestellt. Ein Betriebspunkt im Schichtbetrieb wird aus einer Drehzahl nmot und einer relativen Kraftstoffmasse rk gebildet, wobei die Kraftstoffmasse proportional zum abgegebenen Moment ist.
Die einen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine repräsentierenden Größen sind im wesentlichen auch von der eingestellten Betriebsart abhängig. Beispielsweise wird im Homogenbetrieb ein Betriebspunkt aus einer Drehzahl nmot und der Zylinderfüllung rl gebildet, wobei hier die Zylinderfüllung im wesentlichen proportional zum abgegebenen Moment ist.
Zur Bedatung dieses Modells, d. h. zur Ermittlung der Zusammenhänge zwischen den Einflußgrößen und den Betriebsgrößen müssen die Koeffizienten axx, bxx und cxx der jeweiligen Terme ermittelt werden.
Die erste Gleichung stellt den Zusammenhang zwischen dem Kraftstoffverbrauch be und den Einflußgrößen der Brennkraftmaschine dar, wobei aus Platzgründen nicht alle Terme dargestellt sind. Die zweite Gleichung stellt den Zusammenhang zwischen der Kohlenwasserstoffemisson EHC und den Einflußgrößen der Brennkraftmaschine dar. Die dritte Gleichung stellt den Zusammenhang zwischen der Stickoxydemisson ENOx und den Einflußgrößen der Brennkraftmaschine dar. Weiter Gleichungen des Modells sind aus Platzgründen nicht dargestellt.
Der gewählte Modellansatz ist hier nur beispielhaft dargestellt und kann auf beliebig viele Betriebsgrößen und Einflußgrößen erweitert werden.
Die Fig. 3 stellt in einem Ablaufplan die einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Nach einem Start des Verfahrens werden zunächst in einem Schritt 310 Betriebspunkte der Brennkraftmaschine ermittelt, für die jeweils einzeln ein lokales Modell bedatet werden soll. Im Schichtbetrieb werden diese Betriebspunkte durch die Drehzahl nmot und der eingespritzten Kraftstoffmasse rk gebildet. Es werden Betriebspunkte innerhalb der maximal zulässigen Drehzahl und der maximal möglichen einzuspritzenden Kraftstoffmasse für den Schichtbetrieb der Brennkraftmaschine ermittelt.
In einem Schritt 320 wird ein Bereich der Änderung der Einflußgrößen ermittelt, indem ein zuverlässiger Betrieb der Brennkraftmaschine im Schichtbetrieb gewährleistet ist. Hierzu werden beispielsweise zwei Einflußgrößen der Brennkraftmaschine variiert, während die anderen Einflußgrößen konstant gehalten werden. Gleichzeitig wird die Laufunruhe LU und/oder der mittlere Verbrennungsdruck pmi gemessen. Durch Auswertung dieser gemessenen Größen, beispielsweise durch Vergleich mit einem Schwellenwert, kann der zulässige Änderungsbereich der Einflußgrößen ermittelt werden.
In einem Schritt 330 wird die Ordnung des lokalen Modells zur Beschreibung des Schichtbetriebs der Brennkraftmaschine gewählt. Die Ordnung des Modells kann vorbestimmt oder beliebig wählbar sein. Messungen haben gezeigt, daß ein Modell zweiter Ordnung mit Wechselwirkungen erster Ordnung den Schichtbetrieb einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung ausreichend genau beschreibt und den Meßaufwand zur Bedatung des Modells in vertretbaren Grenzen hält.
In einem Schritt 340 werden die optimalen Meßpunkte ermittelt, die zur Bedatung des Modells notwendig sind und die dieses Modell vollständig bestimmen. Die Anzahl der Messungen wird in Abhängigkeit von der Modellordnung, vom zulässigen Bereich der Änderung der Einflußgrößen der Brennkraftmaschine und von der angestrebten Modellgenauigkeit bestimmt. Beispielsweise kann hierzu eine Methode zur Versuchsplanung z. B. "Design of Experiments" (DOE) verwendet werden.
In einem Schritt 350 wird automatisch jeder vorbestimmte Betriebspunkt der Brennkraftmaschine eingestellt und die für die zur Bedatung des lokalen Modells notwendigen Messungen durchgeführt.
In einem Schritt 360 wird das Modell des Schichtbetriebs der Brennkraftmaschine für jeden Betriebspunkt optimiert. Hierzu werden die Koeffizienten der aufgestellten lokalen Modelle für jeden Betriebspunkt so verändert, daß der Abstand der durch das Modell berechneten Betriebsgrößen und der durch die Messung ermittelten Betriebsgrößen minimal wird. Beispielsweise kann als Maß für den Abstand ein mittlerer quadratischer Abstand oder ein Betrag eines mittleren Abstands gewählt werden.
In einem Schritt 370 werden aus dem bedateten Modell, die für einen Betrieb der Brennkraftmaschine optimalen Kenngrößen ermittelt. In Schritt 380 werden die ermittelten optimalen Kenngrößen im Steuergerät abgespeichert.
Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, daß sowohl bei den angegebenen Einflußgrößen als auch bei den Betriebsgrößen je nach Modell, Motor, Fahrzeug u. s. w. nicht alle zur Anwendung kommen müssen.

Claims (9)

1. Verfahren zum Bedaten eines Modells (Bestimmen der relevanten Größen bzw. der Modellparameter) zum Ermitteln von Kenngrößen zum Steuern einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung oder Saugrohreinspritzung, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden vorbestimmten Betriebspunkt der Brennkraftmaschine mindestens ein lokales Modell insbesondere niedriger Ordnung bedatet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das lokale Modell insbesondere aus einem Polynom zweiter Ordnung mit Wechselwirkungen erster Ordnung gebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Modell ein Modell für ausgewählte Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine ist, mit dem auf der Basis von Betriebspunkten repräsentierenden Größen und von Einflußgrößen der Brennkraftmaschine die Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine bestimmt werden.
4. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung
  • - die einen Betriebspunkt repräsentierenden Größen eine Drehzahl nmot und ein Kraftstoffmassesignal rk oder eine Drehzahl nmot und eine Frischgas-Zylinderfüllung rl sind,
  • - die Einflußgrößen wenigstens zwei der folgenden Größen sind:
    Lambda lam, Zündwinkel zw, Winkel des Einspritzbeginns wesb, Saugrohrdruck ps bzw. das Verhältnis Saugrohrdruck zu Umgebungsdruck ps/pu, Rate der Abgasrückführung AGR, Kraftstoffdruck prail, Ventilüberschneidung vvs, Stellung der Ladungsbewegungsklappe lb,
  • - als Betriebsgröße wenigstes eine der Größen Kraftstoffverbrauch be, Moment M, mittlerer Verbrennungsdruck pmi, Kohlenwasserstoffemission EHC, Stickoxydemission ENOx, Klopfsignal Kl, Laufunruhewert LU, Abgastemperatur tab, Rußanteil im Abgas SZR ermittelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Einflußgrößen wenigstens die folgenden Größen vorgesehen sind:
Lambda lam, Zündwinkel zw, Winkel des Einspritzbeginns wesb, Saugrohrdruck ps bzw. das Verhältnis Saugrohrdruck zu Umgebungsdruck ps/pu, Rate der Abgasrückführung AGR, Kraftstoffdruck prail, Ventilüberschneidung ws, Stellung der Ladungsbewegungsklappe lb.
6. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe statistischer Aussagen über die Streuung von Meßwerten eine optimale Anzahl an Meßpunkten zur Bedatung der lokalen Modelle ermittelt wird mit dem Ziel, daß die Modelle bestimmt sind und der Modellfehler E minimiert werden kann.
7. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Koeffizienten des Modells mit Hilfe multipler Regressionen durch Minimierung eines Modellfehlers E ermittelt werden.
8. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Modell ergänzend zur Steuerung eines Getriebes und/oder einer Bremsanlage und/oder eines beliebigen weiteren elektromechanischen Systems dient.
9. Steuergerät zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Speicher, insbesondere Read-Only-Memory (ROM), und einem Rechengerät, insbesondere einem Mikroprozessor, wobei auf dem Speicher ein Programm abgespeichert ist, das auf dem Rechengerät ablauffähig und zur Ausführung eines Verfahrens nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche geeignet ist.
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