DE19910035A1 - Verfahren zur automatischen Erstellung von geglätteten Kennfeldern für eine elektronische Motorsteuerung einer Kolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Verfahren zur automatischen Erstellung von geglätteten Kennfeldern für elektronische Motorsteuerungen an Kolbenbrennkraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß an einer Referenz-Kolbenbrennkraftmaschine mittels einer Motorsteuerung durch die Vorgabe von Sollwerten der Randbedingungen für den Betrieb einer Kolbenbrennkraftmaschine die Verstellgrößenkombination der einzelnen aufeinanderfolgenden Betriebspunkte eingegeben werden, die Referenz-Kolbenbrennkraftmaschine in diesem Betriebspunkt gefahren und die hierbei auftretenden Ist-Werte und/oder Randbedingungen erfaßt und in einem der Motorsteuerung zugeordneten Optimierungssystem mit den Soll-Werten der Randbedingungen verglichen und bei Abweichungen durch das Optimierungssystem die Verstellgrößenkombinationen schrittweise optimierend geändert werden, wobei eine Gütefunktion für die jeweilige Änderung der Verstellgrößenkombination im Optimierungssystem vorgegeben ist, und daß die Gütefunktion jeweils unter Berücksichtigung von bereits festgelegten Werten der Verstellgrößenkombination wenigstens eines benachbarten Betriebspunktes korrigiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Erstel­ lung von geglätteten Kennfeldern für eine elektronische Motor­ steuerung einer Kolbenbrennkraftmaschine.

In der modernen Industriegesellschaft spielt Mobilität für den Transport von Gütern und für die Fahrten zur Arbeit eine große Rolle. Ein großer Teil dieser Bewegungen findet auf der Straße statt, und dabei spielt die Kolbenbrennkraftmaschine als An­ triebsquelle die dominierende Rolle.

In der letzten Zeit sind die Emissionen von Kolbenbrennkraft­ maschinen in den Brennpunkt der öffentlichen Diskussion ge­ rückt. Dies schlägt sich in der Gesetzgebung in Form von immer geringeren Emissionsgrenzwerten nieder. Des weiteren steigen die Preise für die benötigten Treibstoffe. Beides führt dazu, daß emissionsärmere und verbrauchsärmere Kolbenbrennkraftma­ schinen erforderlich sind.

Um dieses Ziel zu erreichen, müssen Kolbenbrennkraftmaschinen nach modernsten Erkenntnissen entwickelt und konstruiert wer­ den. Dabei spielt nicht nur eine moderne mechanische Konstruk­ tion eine Rolle, sondern der Elektronik kommt, bedingt durch die enorm steigenden Möglichkeiten und die Flexibilität, eine immer größere Bedeutung zu.

Wo früher mechanische Fliehkraftversteller den Zündzeitpunkt den Erfordernissen angepaßt haben, ist heute ein elektroni­ sches Steuergerät im Einsatz. Dieses kann Einflußgrößen we­ sentlich genauer berücksichtigen und leichter an verschiedene Einsatzzwecke angepaßt werden.

In diesen Steuergeräten sind die Abhängigkeiten zwischen Ein­ gangsgrößen, beispielsweise Drehzahl, und den Ausgangsgrößen, d. h. die Verstellgrößen, wie beispielsweise Zündwinkel, Ein­ spritzmenge etc., in Kennfeldern abgelegt, die für jeden Be­ triebszustand einer Kolbenbrennkraftmaschine entsprechende Kennfeldpunkte enthalten, die die aktuellen Werte für die Ver­ stellgrößen vorgeben.

Bei der Entwicklung einer Kolbenbrennkraftmaschine müssen die notwendigen Kennfelder mit Werten gefüllt werden. Bisher wurden die Kennfelder von besonders erfahrenen Entwicklern aufgrund von Prüfstandsmessungen, durch heuristische Methoden und zum Teil auch intuitiv auf der Basis von Messungen an einer Refe­ renzmaschine erstellt. Dies nahm erhebliche Entwicklungszeit in Anspruch und ergab in der Regel keine optimalen Ergebnisse.

Der Aufwand für die Abstimmung der Kennfelder hängt stark von der Anzahl der zu kalibrierenden Parameter ab. Dabei nimmt die Anzahl der Freiheitsgrade in Steuergeräten zu, beispielsweise durch die Einführung von Abgasrückführung (AGR), Nockenwellen­ verstellung, variablem Ansaugsystem, um nur einige zu nennen. Die dann erforderliche Lösung einer mehr als dreidimensionalen Optimierungsaufgabe mit vielen Parametern ist für Menschen kaum noch überblickbar.

Aus diesem Grunde wurden Systeme zur automatischen Kennfeld­ optimierung und entsprechende Software entwickelt. Diese er­ stellen Kennfelder aufbauend auf Prüfstandsmessungen und mathe­ matisch fundierten Algorithmen. Es sind deshalb weniger Stra­ ßentests mit Fahrzeugen erforderlich, und eine Optimierung der Kolbenbrennkraftmaschine ist möglich, auch wenn das Gesamtfahr­ zeug noch nicht vorhanden ist. Dadurch wird zum einen die Ent­ wicklungszeit und somit die "time-to-market" verkürzt und folg­ lich tritt eine Kostenersparnis ein. Zum anderen sind die er­ zeugten Ergebnisse reproduzierbar und nicht von einem menschli­ chen Optimierer abhängig, der mit Intuition arbeitet. Das Opti­ mierungssystem ist außerdem leichter adaptierbar und an andere Vorgaben anzupassen.

Wegen des relativ geringen Zeitbedarfs kann die automatische Optimierung mit verschiedenen Konfigurationen mehrfach durchge­ führt werden. Dies eröffnet die Möglichkeiten verschiedene Szenarien durchzuspielen, die im praktischen Versuch mit ver­ nünftigem Aufwand nicht durchführbar wären.

Mit den bisher angewendeten Verfahren ist es zwar möglich, für eine gegebene Konstruktion einer Kolbenbrennkraftmaschine "Mutter"-Kennfelder zu erstellen, nach denen für die spätere Serienfertigung und auch für die in Serie zu fertigende Motor­ steuerung die entsprechenden Kennfeld-Datenträger erstellt wer­ den können. Der Nachteil des bisher angewandten Verfahrens be­ steht jedoch darin, daß während der Durchführung der automati­ schen Optimierung für jede Stützstelle bzw. für jeden Betrieb­ spunkt eines Kennfeldes ein Wert erzeugt wird, ohne jedoch die Zusammenhänge zwischen benachbarten Stützstellen zu beachten. Dadurch ergeben sich Sprünge in den Kalibrierdaten benachbarter Stützstellen, die die Übertragbarkeit des Optimierungsergebnis­ ses sowie die Fahrbarkeit im praktischen Fahrzeugeinsatz ge­ fährden. Starke Sprünge von Kalibrierdaten benachbarter Be­ triebspunkte müssen deshalb vermieden werden.

Sprünge treten dabei in zwei Phasen der Optimierung auf: Zum einen besteht das Problem, daß Abstimmungsergebnisse innerhalb eines nach gleichen Kriterien optimierten Kennfeldbereiches derartige Verstellgrößensprünge aufweisen. Zum anderen ergibt sich ein weiteres Problem von sprunghaften Übergängen beim Zu­ sammenfügen von nach unterschiedlichen Kriterien optimierten Kennfeldbereichen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu finden, das schon während des Optimierungslaufes eine Vermei­ dung zu starker Sprünge der Kalibrierdaten bewirkt und dennoch ein gutes Optimierungsergebnis zuläßt und die Erstellung eines geglätteten Kennfeldes ermöglicht.

Diese Aufgabe wird mit den im Anspruch 1 angegebenen Verfah­ rensschritten gelöst. Erfinderische Abwandlungen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 4 angegeben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild für einen Prüfstand mit Kennfeldoptimierung,

Fig. 2 den Arbeitsablauf des Prüfstands gemäß Fig. 1 als Blockschaltbild,

Fig. 3 ein ungeglättetes Kennfeld, erstellt nach dem Verfahren gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 4 ein geglättetes Kennfeld, erstellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,

Fig. 5 die Darstellung eines Verstellgrößensprungs für eine variable Stellgröße,

Fig. 6 die Darstellung des Verstellgrößensprungs gemäß Fig. 5 in einem Koordinationssystem für zwei Variable,

Fig. 7 ein Flußdiagramm für eine Kennfeldoptimie­ rung mittels einer vorgegebenen Gütefunktion,

Fig. 8 ein Detail-Flußdiagramm zur Erläuterung der Optimierung der Ziel- und Grenzwertgrößen,

Fig. 9 die Wirkungsweise einer Überlagerung einer Gütefunktion mit einer Incentivfunktion,

Fig. 10 ein Detail-Flußdiagramm für eine Kennfeld­ optimierung bei Überlagerung einer Gütefunk­ tion mit einer Incentivfunktion,

Fig. 11 ein Detail-Flußdiagramm für eine Kennfeld­ optimierung mittels Gütefunktion und Verstell­ größendifferenzerfassung,

Fig. 12 ein Detail-Flußdiagramm für eine Kennfeld­ optimierung zur Begrenzung der Rauhheit in jeder Betriebsstufe.

Fig. 1 zeigt einen Prüfstand mit automatisch arbeitendem Kenn­ feldoptimierungssystem 1, mit Eingangsinformationen I_ein und Ausgangsinformationen I_aus sowie einer Kennfeldausgabe K_aus, elektrischem Motorsteuergerät 2, Referenz-Kolbenbrennkraftma­ schine 3 für eine Serie und den erforderlichen Meßeinrichtungen 4. Die Eingangsinformationen des Systems werden zum Teil vom Benutzer vorgegeben (Grenzwerte, Ziele und zu optimierende Kennfeldpunkte) und zum Teil vom System während der Optimierung vom Motorprüfstand angefordert (Meßwerte). Dazu gibt das System Verstellgrößen vor, die automatisch an der Kolbenbrennkraftma­ schine 3 eingestellt werden, und wertet daraufhin die Meßwerte zur Bestimmung optimaler Verstellgrößen aus. Schließlich er­ zeugt das System als Ergebnis Kennfelder, die in das Motor­ steuergerät 2 der Kolbenbrennkraftmaschine 3 übertragen werden, für die die Optimierung durchgeführt wurde. Im Motorsteuergerät 2 sind zusätzlich alle Werte berücksichtigt, die für den Ein­ satz der Kolbenbrennkraftmaschine 3 in einem vorgegebenen Fahr­ zeug relevant sind.

In Fig. 2 ist der Arbeitsablauf des Prüfstands aus Fig. 1 mit beispielhaften Eingangsinformationen und Beispielen für Ver­ stellgrößen wiedergegeben, für die jeweils ein Kennfeld zu er­ stellen ist und welche Meßwerte hierbei erfaßt werden können. Die einzelnen Bauelemente des Prüfstands sind hier mit dem Be­ zugszeichen aus Fig. 1 kenntlich gemacht. Sowohl für das Motor­ steuergerät 2 des Prüfstands als auch für die Meßeinrichtung 4 ist angedeutet, daß weitere Steuerelemente und Meßeinrichtungen vorgesehen sein können. Das Kennfeldoptimierungssystem bestimmt während der automatischen Kennfeldoptimierung für jeden Kenn­ feldpunkt (Kennfeldpunkt = eine Kombination der Eingangsgrös­ sen), also beispielsweise Last und Drehzahl einen Verstell­ größenwert, also beispielsweise den Zündzeitpunkt. Jedoch wer­ den dabei keine Zusammenhänge zwischen benachbarten Kennfeld­ punkten beachtet.

Wie Fig. 3 zeigt, ergeben sich bei dieser Art der Kennfelder­ stellung Sprünge in den Verstellgrößenwerten zu benachbarten Kennfeldpunkten, die die Übertragbarkeit des Optimierungsergeb­ nisses ins Motorsteuergerät sowie die Fahrbarkeit im prakti­ schen Fahrzeugeinsatz gefährden. Große Verstellgrößensprünge benachbarter Kennfeldpunkte müssen deshalb vermieden werden. Es muß ein "geglättetes" Kennfeld erzeugt werden, wie dies zum Vergleich in Fig. 4 darstellt ist. Ein glattes Kennfeld ist durch kleine Verstellgrößensprünge gekennzeichnet.

Der Verstellgrößensprung, der zur Bewertung der Glattheit eines Kennfeldes benutzt wird, wird anhand von Fig. 5 erläutert. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird ein Beispiel gezeigt, bei dem nur eine Verstellgröße, hier der Zündzeitpunkt ZZP, be­ trachtet wird. Der Zündzeitpunkt hängt in diesem Beispiel nur von einer veränderbaren Eingangsgröße, hier der Drehzahl n, ab, während der Wert für das Moment konstant gehalten wird. Darge­ stellt sind eine Drehzahl n_a, genannt "aktuelle Drehzahl" und zwei Nachbarn "n1" und "n2". Die aktuelle Drehzahl hat den Zündzeitpunkt ZZP_a und die beiden Nachbarn haben die Zündzeit­ punkte ZZP1 und ZZP2.

Bei der aktuellen Drehzahl n_a wird ein "ideal glatter Zündzeit­ punkt" bestimmt, der zu einem glatten Kennfeld führt. Zur Be­ stimmung dieses "idealen Zündzeitpunktes" bei der aktuellen Drehzahl wird eine Interpolation zwischen den Zündzeitpunkten der Nachbarn durchgeführt, in Fig. 5 durch eine gestrichelte Gerade dargestellt zwischen ZZP1 und ZZP2. Die Differenz zwi­ schen dieser Geraden und den Zündzeitpunkt ZZP_a bei der aktuel­ len Drehzahl wird als Verstellgrößensprung definiert. Je klei­ ner der Verstellgrößensprung (hier der Zündzeitpunktsprung) ist, desto glatter ist das Kennfeld im aktuellen Punkt (hier bei der aktuellen Drehzahl) bezogen auf seine Nachbarn.

Für Verstellgrößen, die sich üblicherweise linear ändern, ge­ schieht die Bestimmung des idealen Verstellgrößenwerts durch lineare Interpolation. Allgemein betrachtet können aber auch andere Interpolationen zum Einsatz kommen.

Im Normalfall hängen die Kennfeldpunkte von (mindestens) zwei Eingangsgrößen, beispielsweise der Zündzeitpunkt von Drehzahl n und Last M ab. In diesem Fall gibt es mehr als zwei benachbarte Kennfeldpunkte, zwischen denen der ideale Verstellgrößenwert interpoliert werden muß, wie Fig. 6 zeigt. Die Darstellung ge­ mäß Fig. 5 ist in das Koordinatensystem von Fig. 6 eingezeich­ net. Um nun zu einem glatten Kennfeld zu kommen, reicht es nicht aus, die in Fig. 5 angegebene Interpolation vorzunehmen, sondern es müssen zusätzlich die Werte der übrigen benachbarten Kennfeldpunkte, beispielsweise N7 und N3, berücksichtigt wer­ den.

In gleicher Weise verfährt man auch für andere Verstellgrößen, z. B. Einspritzmenge, Einspritzbeginn, Abgasrückführrate usw. In diesen Fällen wird für jede Verstellgröße eine Interpolation zwischen den benachbarten Kennfeldpunkten zur Bestimmung des idealen Verstellgrößenwerts durchgeführt.

Zur Bestimmung der günstigsten Verstellgrößenkombination wird eine sogenannte Gütefunktion benutzt. Das Optimierungsziel ist es, die vorgegebenen Grenzwerte (z. B. für die Abgasemissionen) zu unterschreiten. Die Gütefunktion setzt sich zusammen aus al­ len zu optimierenden Größen G₁ bis G_n (z. B. Verbrauch, Emissio­ nen, . . .) und den zugehörigen Grenzwerten GW₁ bis GW_n. Das Ge­ wicht der einzelnen Größen in der Gütefunktion wird durch Fak­ toren λ₁ bis λ_n festgelegt. Somit lautet die Gütefunktion:

Güte = λ₁ (G₁-GW₁) + λ₂ (G₂-GW₂) + λ₃ (G₃-GW₃) + . . . + λ₃ (G_n-GW_n)

Als Beispiel sei eine Gütefunktion für eine Optimierung des Kraftstoffverbrauchs b_e bei gleichzeitiger Anforderung an die Einhaltung eines Stickoxidgrenzwertes (NO_x) gegeben.

Wenn NO_x den aktuell gemessenen NO_x-Wert bezeichnet und NO_xMax den einzuhaltenden Grenzwert und b_e den aktuell gemessenen Kraftstoffverbrauch, so lautet die Gütefunktion für diesen An­ wendungsfall:

Güte_BsP = λ₁ (NO_x-NO_max) + λ₂ . b_e

Bei der Optimierung wird ein Minimum der Gütefunktion bestimmt. Der Ablauf einer solchen Optimierung im Kennfeldoptimierungssy­ stem 4 ist in Fig. 7 in Form eines Flußdiagramms erläutert und dargestellt. Im genannten Beispiel wird der ZZP variiert, bis das Minimum der Gütefunktion gefunden ist. Sollte bei diesem Minimum der Grenzwert für NOX noch überschritten werden, so kann die Gütefunktion durch Variation der Lagrangefaktoren λ₁ und λ₂ auf eine größere Empfindlichkeit gegenüber dem Stick­ oxidwert getrimmt werden und erneut ein Minimum gesucht werden.

Die zu optimierenden Größen sind eine Funktion der Verstell­ größen und des Kennfeldpunktes:

G_n = f(Verstellgrößen, Eingangsgrößen)

Für das genannte Beispiel bedeutet das:

NO_x = f₁ (ZZP, n, M) und b_e = f₂ (ZZP, n, M)

Das Minimum der Gütefunktion für das gesamte Kennfeld wird be­ stimmt, indem in jedem Kennfeldpunkt das Minimum der Gütefunk­ tion durch Variation der Verstellgrößen bestimmt wird, wie in Fig. 8 dargestellt. Bei dem gewählten Ausführungsbeispiel gilt für einen Kennfeldpunkt, daß n und M konstant gehalten werden und das Minimum des ZZP bestimmt wird. Die Bestimmung der Mini­ ma wird in jedem Kennfeldpunkt durchgeführt. Die Verstellgrös­ senwerte, die zu diesen Minima gehören, sind die optimalen Ver­ stellgrößenwerte bezüglich der Optimierungsziele im jeweiligen Kennfeldpunkt. Das Ergebnis dieser Verfahrensweise ist ein un­ geglättetes Kennfeld entsprechend Fig. 3, das noch erhebliche Verstellgrößensprünge aufweist.

Zur Vermeidung von Verstellgrößensprüngen muß nun während des Rechengangs zur Optimierung Einfluß auf die Gütefunktion genom­ men werden. Dadurch wird das Entstehen von Kennfeldsprüngen im Lauf der Optimierung vermieden. Die Glattheit des zu erstellen­ den Kennfeldes wird zu diesem Zweck als zusätzliche Randbedin­ gung bei der Optimierung berücksichtigt.

In einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt dies dadurch, daß im Rechengang eine Verstellgrößenkom­ bination, die zu einem glatten Kennfeld führt, "belohnt" wird, so daß sie bei der Optimierung bevorzugt wird gegenüber anderen Verstellgrößenkombinationen, die gleiche oder sogar bessere Re­ sultate bezüglich der übrigen Randbedingungen liefern, aber zu größeren Verstellgrößensprüngen führen.

Auf die Gütefunktion wird hierbei Einfluß genommen durch eine sogenannte Incentivefunktion zur Belohnung günstiger Verstell­ größenkombination hinsichtlich der Glattheit, die wie folgt formuliert werden kann:

Incentiv = |a(VG1-Opt1)| + |b(VG2-Opt2)| + |c(VG3-Opt3)| + . . . + |d(VGx-Optx)|

VG1 bis VGx bezeichnen dabei die Verstellgrößen, Opt1 bis Optx die Optima der entsprechenden Verstellgrößen in den benachbar­ ten Betriebsstufen. a bis d sind Faktoren, die den Einfluß der jeweiligen Verstellgröße in der Incentivfunktion bestimmen.

Als Beispiel sei die Incentivfunktion für den Zündzeitpunkt ZZP als Verstellgröße dargestellt, wobei M1 das Optimum des Zünd­ zeitpunkts aus den benachbarten Betriebsstufen ist. Das Optimum ist der "ideale Verstellgrößenwert", d. h. der interpolierte Wert aus den Optima der benachbarten Betriebsstufen:

Incentiv_BSp = |a (ZZP-M1)|

Diese Incentivfunktion wird der Gütefunktion überlagert. Es er­ gibt sich eine neue Gütefunktion, die ein anderes Minimum hat und damit zu einer anderen Verstellgrößenkombination führt:

Güte_Incentiv = Güte + Incentiv

Für das Beispiel lautet die überlagerte Funktion:

Güte_{Incentiv Bsp} = λ₂ (NO_x-NO_xMax) + λ₂ . b_e| + |a(ZZP-M1)|

Die Wirkungsweise einer solchen Incentivfunktion ist in Fig. 9 wiedergegeben. Optimiert werden soll der Zündzeitpunkt (Ver­ stellgröße) unter Berücksichtigung von minimalem Verbrauch (Zielgröße). Die Gütefunktion ist in diesem Fall der Verlauf des Verbrauchs über dem Zündzeitpunkt. Dabei sollen glatte Übergänge zu benachbarten Kennfeldpunkten erzeugt werden.

In einem Kennfeldpunkt "a" wurde der Zündzeitpunkt x als opti­ mal bestimmt hinsichtlich des Verbrauchs (Fig. 9). Im benach­ barten Kennfeldpunkt 2 soll nun eine Optimierung des Zündzeit­ punkts unter Berücksichtigung der Glattheit durchgeführt wer­ den. In diesem Kennfeldpunkt "b" würde der Zündzeitpunkt y als optimal bestimmt hinsichtlich des Verbrauchs, weil das Minimum M2 kleiner ist als das Minimum M1 (Fig. 9).

Die Verstellgrößenkombination im Minimum M1 führt jedoch zu ei­ ner größeren Glattheit als die Verstellgrößenkombination im Mi­ nimum M2, da für den benachbarten Kennfeldpunkt 1 die optimale Verstellgrößenkombination beim Minimum M1 und nicht beim Mini­ mum M2 liegt.

Zur Beeinflussung der Glattheit wird deshalb auf die Gütefunk­ tion Güte_Bsp die Incentivfunktion Incentiv_Bsp addiert, die ihr Minimum beim Zündzeitpunkt x des Kennfeldpunktes "a" hat deren Funktionswert um so ungünstiger wird, je weiter der Zündzeit­ punkt vom Zündzeitpunkt x abweicht (Fig. 9). Durch die Addition ergibt sich die neue Gütefunktion Güte_IncentivBsp für den Kennfeld­ punkt "b", (Fig. 9). Bei der Optimierung im Kennfeldpunkt "b" wird nun der Zündzeitpunkt im Minimum M1 gefunden, der näher beim Zündzeitpunkt x des benachbarten Kennfeldpunktes liegt als der Zündzeitpunkt y. Das führt zu einer günstigeren Verstell­ größenkombination hinsichtlich der Glattheit.

Dieses Verfahren wird nun iterativ auf alle Kennfeldpunkte an­ gewendet. Jeder Kennfeldpunkt wird dadurch bei den Optimie­ rungsläufen abwechselnd sowohl Nachbar, der Einfluß auf den ge­ rade zu optimierenden Punkt hat, als auch zu optimierender Punkt, der durch seine Nachbarn beeinflußt wird. Im allgemeinen Fall mit mehreren Nachbarn wird eine Incentivfunktion benutzt, die entsprechend mehrere Minima in Abhängigkeit von den optima­ len Verstellgrößen der Nachbarn hat. Das Beispiel benutzt eine lineare Incentivfunktion. In Abhängigkeit vom Verlauf der Güte­ funktion und anderen beteiligten Größen können jedoch, je nach Erfordernis, auch nichtlineare Incentivfunktionen zum Einsatz kommen, um den beschriebenen Einfluß auf die Gütefunktion zu erreichen.

Der iterative Ablauf einer Kennfeldoptimierung mit Beeinflus­ sung durch eine Incentivfunktion ist in Fig. 10 erläutert und dargestellt.

In einer anderen Ausgestaltung des Verfahrens wird aus dem Ver­ stellgrößensprung eines Kennfeldpunktes ein Maß für die Glatt­ heit in diesem Punkt ermittelt.

Dazu wird im aktuellen Kennfeldpunkt die Differenz zwischen dem idealen Wert und dem bei der Optimierung gefundenen Wert gebil­ det. Diese Differenz wird Verstellgrößendifferenz genannt. Die Verstellgrößendifferenz wird, wie andere Randbedingungen, z. B. die Emissionswerte, in die Optimierung mit einbezogen.

Die Verstellgrößendifferenz wird statt der Incentivfunktion als zusätzliche Randbedingung in die Optimierung mit einbezogen. Dazu wird sie wie ein Meßwert der Kolbenbrennkraftmaschine be­ handelt. Bei jeder Messung an der Kolbenbrennkraftmaschine wird sie aus den Verstellgrößen der benachbarten und der aktuellen Betriebsstufe errechnet. Die Verstellgrößendifferenz geht, ge­ nau wie die Abgasemmissionen, in die Gütefunktion mit ein. Also kann einer der Werte G₁ bis G_n die Glattheitsinformation enthal­ ten:

Güte = λ₁ (G₁-GW₁) + λ₂ (G₂-GW₂) + λ₃ (G₃-GW₃) + . . . + λ₃ (G_n-GW_n)

Für eine Optimierung von Kraftstoffverbrauch und Stickoxident­ wicklung unter Vorgabe einer maximalen Rauhheit Rmax (Rauhheit = Gegenteil von Glattheit) erhält man:

Güte_VdvBsp = λ₁ . b_e + λ₂(NO_x-NO_xMax) + λ₃(R-R_max)

wenn R der aktuell ermittelte Wert für die Rauhheit ist.

Im folgenden wird das Vorgehen für eine Verstellgröße beschrie­ ben. Falls es mehrere Verstellgrößen gibt, wird das Verfahren für jede Verstellgröße angewendet.

Man betrachtet eine Betriebsstufe im Kennfeld, genannt aktuelle Betriebsstufe BS, und ihre Nachbarn. Während der Optimierung dieser Betriebsstufe sind die Verstellgrößenwerte der Nachbarn konstant, da nur der Verstellgrößenwert der aktuellen Betriebs­ stufe variiert wird. Aus den Verstellgrößenwerten der Nachbarn wird der optimale Verstellgrößenwert für die aktuelle Betriebs­ stufe errechnet.

In der aktuellen Betriebsstufe wird ein Minimum der Gütefunk­ tion gesucht. Die Verstellgröße des aktuellen Punktes wird dazu variiert um das Minimum zu finden, wie aus dem Flußdiagramm ge­ mäß Fig. 11 ersichtlich. Dabei ergibt sich für jeden Verstell­ größenwert eine andere Verstellgrößendifferenz entsprechend dem unterschiedlich glatten Verstellgrößenverlauf zu den Nachbarn.

Am Ende eines Optimierungszyklus (Optimierung aller Kennfeld­ punkte) wird für die Rauhheit ein globaler Wert R berechnet. "Global" heißt: für das ganze Kennfeld. Dazu werden alle Ver­ stellgrößendifferenzen aufsummiert. Dieser Rauhheitswert wird mit dem globalen Grenzwert für die Rauhheit R_max verglichen. Ein kleiner Grenzwert entspricht einer kleinen Rauhheit entspre­ chend einer guten Glattheit des Kennfeldes.

Wird dieser Grenzwert überschritten, wird der Faktor λ (im obi­ gen Beispiel λ₃) der Rauhheit in der Gütefunktion derart modi­ fiziert, vorzugsweise erhöht, daß die Rauhheit einen stärkeren Einfluß auf die Gütefunktion bekommt. Im nächsten Optimierungs­ lauf werden die optimalen Verstellgrößen für die geänderte Gütefunktion bestimmt. Da diese Gütefunktion stärker von der Rauhheit abhängig ist, werden günstigere Werte für die Ver­ stellgrößen bezüglich der Glattheit erreicht.

Durch die Vorgabe eines globalen Grenzwerts wird die Rauhheit für das gesamte Kennfeld begrenzt. Hierbei spielt es keine Rol­ le, welchen Anteil die einzelnen Betriebsstufen am Gesamtergeb­ nis haben, sondern nur, daß der Grenzwert unterschritten wird. Dieser Vorgang wird so lange wiederholt, bis alle Optimierungs­ ziele erreicht werden.

Bei der Begrenzung der Rauhheit durch einen globalen Grenzwert können lokale, vorhandene Verstellgrößendifferenzen durch glat­ te Teile des Kennfeldes im Summenwert der Rauhheit ausgeglichen werden. "Lokal" heißt: In einem Kennfeldpunkt. Lokale Rauhhei­ ten sind jedoch unerwünscht.

Um diese lokalen Verstellgrößendifferenzen klein zu halten, wird die Rauhheit des Kennfeldes in jeder einzelnen Betriebs­ stufe durch die Einführung und Vorgabe eines lokalen Grenzwer­ tes R(n,M) begrenzt. Das führt dazu, daß Verstellgrößenkombina­ tionen, die diesen Grenzwert überschreiten, sofort bei der Op­ timierung dieses Kennfeldpunktes verworfen werden, wie in Fig. 12 angedeutet.

Die Kennfelder von Kolbenbrennkraftmaschinen werden in mehrere Gebiete geteilt, in denen unterschiedliche Randbedingungen und Optimierungsziele gelten. Ein Gebiet ist durch den gesetzlich vorgeschriebenen Fahrzyklus (zur Begrenzung der Emissionen) vorgegeben und wird Fahrzyklusgebiet genannt. Andere Gebiete sind die Vollastkurve, auf der maximale Leistung gefordert wird und der Rest des Kennfeldes, in dem üblicherweise minimaler Verbrauch gewünscht wird, genannt Verbrauchsminimumgebiet.

Um eine Aussage über die Rauhheit im gesamten Kennfeld machen zu können, sind die Rauhheitswerte der verschiedenen Gebiete entsprechend zusammenzufassen. Dazu wird folgendes Verfahren angewandt:
Nach Abschluß der Optimierung liegt für jedes Gebiet ein Wert für die Rauhheit vor. Das Optimierungssystem errechnet diesen Wert für jedes Gebiet mit Hilfe der Verweildauern aus den Er­ gebnissen der einzelnen Betriebsstufen entsprechend wie bei Verbrauch und Emissionen.

Verweildauern sind nur für das Fahrzyklusgebiet durch den Fahr­ zyklus vorgegeben. Die Anzahl der Betriebsstufen und die Ver­ weildauern in den einzelnen Betriebsstufen (für das Fahrzyklus­ gebiet) werden durch die Umrechnung des Fahrzyklus in stationä­ re Betriebsstufen bestimmt. Für die Vollastkurve und das Ver­ brauchsminimumgebiet gibt es keine entsprechenden Vorgaben.

Um auf der Vollastkurve und im Verbrauchsminimumgebiet eine Op­ timierung durchführen zu können, werden jedoch auch dort Ver­ weildauern benötigt. Prinzipiell können beliebige Verweildauern angenommen werden. Da die Verweildauern jedoch auch zur Hoch­ rechnung der Rauhheit benutzt werden, wird folgendes Verfahren zur Bestimmung der Verweildauern für Vollastkurve und Ver­ brauchsminimumgebiet angewandt:
Aus der Verweildauer und der Anzahl der Betriebsstufen im Fahr­ zyklusgebiet läßt sich die durchschnittliche Verweildauer in einer Betriebsstufe für das Fahrzyklusgebiet errechnen:

Durchschnittliche Verweildauer = Sekunden im Fahrzyklusgebiet / Anzahl der Betriebsstufen im Fahrzyklusgebiet

Diese durchschnittliche Verweildauer wird auch für die Be­ triebsstufen auf der Vollastkurve und im Verbrauchsminimumge­ biet benutzt. Dadurch ist eine Berechnung der Rauhheit für das gesamte Kennfeld möglich: Die Ergebnisse aller Betriebsstufen werden (im Durchschnitt) mit derselben Verweildauer hochgerech­ net. Der Anteil eines Gebietes am Gesamtergebnis ergibt sich deshalb als Verhältnis der Anzahl der Betriebsstufen im Gebiet zu der Gesamtzahl der Betriebsstufen im Kennfeld.

Mit dem dargestellten Verfahren läßt sich ein geglättetes Kenn­ feld erzeugen, wie der Vergleich zwischen Fig. 3 und Fig. 4 er­ kennen läßt. Dieses geglättete Kennfeld ermöglicht nicht nur die Erfüllung von Emissionsgrenzwerten, wie das Kennfeld gemäß Fig. 3, sondern durch die glatten Übergänge zwischen den Be­ triebsstufen sind die Übertragbarkeit ins Motorsteuergerät und die Fahrbarkeit sichergestellt. Die so beim Betrieb einer Refe­ renz-Kolbenbrennkraftmaschine erstellten, geglätteten Kennfel­ der dienen dann als "Mutter"-Kennfelder für die Herstellung von Motorsteuergeräten für Kolbenbrennkraftmaschinen diesen Typs.

Claims (4)

1. Verfahren zur automatischen Erstellung von geglätteten Kenn­ feldern für elektronische Motorsteuerungen an Kolbenbrennkraft­ maschinen, dadurch gekennzeichnet, daß an einer Referenz-Kol­ benbrennkraftmaschine mittels einer Motorsteuerung durch die Vorgabe von Sollwerten der Randbedingungen für den Betrieb ei­ ner Kolbenbrennkraftmaschine die Verstellgrößenkombination der einzelnen aufeinanderfolgenden Betriebspunkte eingegeben wer­ den, die Referenz-Kolbenbrennkraftmaschine in diesem Betriebs­ punkt gefahren und die hierbei auftretenden Ist-Werte und/oder Randbedingungen erfaßt und in einem der Motorsteuerung zugeord­ neten Optimierungssystem mit den Soll-Werten der Randbedingun­ gen verglichen und bei Abweichungen durch das Optimierungssy­ stem die Verstellgrößenkombinationen schrittweise optimierend geändert werden, wobei eine Gütefunktion für die jeweilige Än­ derung der Verstellgrößenkombination im Optimierungssystem vor­ gegeben ist, und daß die Gütefunktion jeweils unter Berücksich­ tigung von bereits festgelegten Werten der Verstellgrößenkombi­ nation wenigstens eines benachbarten Betriebspunktes korrigiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Güte der jeweiligen Verstellgrößenkombination definiert wird durch die Funktion
Güte = λ₁ (G₁-GW₁) + λ₂ (G₂-GW₂) + λ₃ (G_3-GW₃) + . . . + λ_n (G_n-GW_n)

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß unter Berücksichtigung festgelegter Kennfeldwerte wenigstens eines benachbarten Betriebspunktes der Gütefunktion eine Incen­ tivfunktion
Incentiv = |a(VG1-Opt1)| + |b(VG2-Opt2)| + |c(VG3-Opt3)| + . . . + |d(VGx-Optx)|
überlagert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweiligen Verstellgröße eine maximal zulässige Rauhheit für das zu erstellende Kennfeld vorgegeben und bei der Güte­ funktion berücksichtigt wird.