DE60109671T2 - Verfahren für zylinderindividuelle Kraftstoffregelung - Google Patents

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Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Diese Erfindung betrifft die Kraftstoffregelung eines Verbrennungsmotors mit mehreren Zylindern und insbesondere eine Steuerung zum Ausführen einer Kraftstoffregelung einzelner Zylinder mit einem einzelnen Abgas-Sauerstoffsensor.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die wirkungsvolle Emissionssteuerung der Abgase von Verbrennungsmotoren mit einem Katalysator erfordert die genaue Steuerung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses, das an die Motorzylinder bereitgestellt wird. Zu diesem Zweck ist es üblich, einen Sauerstoffsensor in dem Motorabgasrohr zu installieren und den Sensorausgang als ein Rückführungssignal für eine Kraftstoffregelung mit geschlossenem Regelkreis zu verwenden. Die Abgase von mehreren Motorzylindern werden typischerweise in einem Abgaskrümmer kombiniert, wobei ein einzelner Sauerstoffsensor nahe am Auslass angeordnet ist und ein durchschnittlicher Messwert des Sauerstoffsensors als gemeinsames Rückführungssignal für die Regelung des Kraftstoffs, der an die mehreren Zylinder geliefert wird, verwendet wird. Bei dieser Lösung wird eine gleichförmige Luft/Kraftstoff-Verteilung bei den mehreren Zylindern angenommen. Es gibt jedoch häufig wesentliche Schwankungen bei der Luft/Kraftstoff-Verteilung zwischen verschiedenen Zylindern infolge von Herstellungstoleranzen (z. B. Einlassöffnungen und Kraftstoff-Einspritzeinrichtungen), Druckresonanzschwingungen (Einlasskrümmer und Kraftstoffleitung) und inhomogener EGR-Verteilung. Diese Schwankungen bewirken, dass das tatsächliche Luft/Kraftstoff-Verhältnis von dem Soll-Luft/Kraftstoff-Verhältnis wesentlich abweicht, wodurch die Emissionssteuerung schlechter wird, der stark abgemagerte Motorbetrieb (magere Verbrennung) eingeschränkt wird, eine schlechtere Kraftstoffeinsparung erreicht wird und möglicherweise Fehlzündungen bewirkt werden.
  • Aus diesem Grund ist vorgeschlagen worden, die Kraftstoff-Impulsbreite für jeden Motorzylinder einzeln anzupassen; siehe z. B. die US-Patente Nr. 5.651.353, das am 29. Juli 1997 erteilt wurde, und Nr. 5.732.689, das am 31. März 1998 erteilt wurde. Einige Systeme dieses Typs verwenden mehrere Sauerstoffsensoren, um Rückführungssignale des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses zu bilden, die für jeden Zylinder einzigartig sind. Andere Systeme verwenden zur Kostenreduzierung lediglich einen einzelnen Sauerstoffsensor und verwenden ein mathematisches Modell oder ein Beobachtungsmodell, um die Sensormessungen mit einem gegebenen Zylinder zu korrelieren.
  • Die modellbasierte Lösung enthält zwei grundlegende Schritte: (1) Gewinnen des Musters der Zylinderungleichgewichte aus dem einzelnen Sauerstoffsensorsignal und (2) Abbilden des gewonnenen Musters der Ungleichgewichte auf einzelne Motorzylinder zum Anpassen der einzelnen Kraftstoff-Impulsbreiten. Der erste Schritt beinhaltet typischerweise eine modellbasierte Beobachtungseinrichtung, die die Dynamik sowohl des Motors als auch des Sauerstoffsensors erfasst. In einem reinen Zeitbereich gibt es zwei wesentlich verschiedene Modellierungsarten, die darauf abzielen, die Zylinderungleichgewichte aus dem unaufbereiteten Sauerstoffsensorsignal zu gewinnen. Eine Art basiert auf der Umwandlung der Rotationsdynamik des Motors in eine nicht periodische Darstellung unter Verwendung einer "Hubtechnik". Als Ergebnis dieser Umwandlung werden die Ungleichge wichte, die den N verschiedenen Zylindern entsprechen, jeweils durch eine spezielle Zustandsvariable der Beobachtungseinrichtung repräsentiert. Somit erfasst die vollständige Menge von Zustandsvariablen das gesamte Muster der Ungleichgewichte zeitlich unveränderlich während eines Motorzyklus. Der Motor kann dann ausgeglichen werden, indem jedes der gewonnenen Ungleichgewichte einzeln zu dem entsprechenden Zylinder zurückgeführt wird. Deswegen wird für jeden Zylinder eine einzelne Regelschleife benötigt. Alternativ kann gemäß der zweiten Art die Periodizität des Motors in Bezug auf eine periodische Beobachtungseinrichtung beibehalten werden kann, in der die Zylinderungleichgewichte durch die vollständige Menge der Zustandsvariablen zyklisch verschoben werden. Dadurch wird zu jedem Zeitpunkt das gesamte Muster der Ungleichgewichte, das gemäß der Zylinderzündfolge erzeugt wird, über einen vollständigen Motorzyklus durch die vollständige Menge der Zustandsvariablen erfasst. Die Controllerdynamik wird außerdem als ein periodisches System modelliert, wodurch die Implementierung einer Rückführungsstruktur mit lediglich einem einzigen Regelkreis möglich wird. Der zweite Schritt der Abbildung der gewonnenen Ungleichgewichte auf die einzelnen Motorzylinder kann schwierig sein, da eine nicht modellierte Prozessdynamik und Verzögerungen eine Phasenverschiebung bei dem Messsignal bewirken, was im Voraus schwer zu erfassen ist und die außerdem mit dem Arbeitspunkt des Motors variieren. Bei der nicht periodischen Darstellung wird die Phasenverschiebung als ein Versatz zwischen den N Zustandsvariablen der Beobachtungseinrichtung und den entsprechenden Zylindern dargestellt. Mit anderen Worten, der Phasenversatz wird durch einen ganzzahligen Index mit dem Wert (0, 1, ..., N – 1) repräsentiert, der jedem Zylinder eine bestimmte gewonnene Zahl der Ungleichgewichte zuordnet. Das ist in 1A für einen Vierzylindermotor dargestellt, wobei die Zustandsvariablen der Beobachtungseinrichtung als x1 bis x4. angegeben sind und der Versatz einen Wert von zwei hat; die Zustandsvariable x1 ist z. B. dem Zylinder Nummer drei zugeordnet und die Zustandsvariable x3 ist z. B. dem Zylinder Nummer eins zugeordnet usw. Bei der periodischen Darstellung gibt der Phasenversatz die Zeitverzögerung zwischen dem ursprünglichen Muster der Zylinderungleichgewichte und dem gewonnenen Muster der Ungleichgewichte, das in der Folge der N Zustandsvariablen der Beobachtungseinrichtung zu jedem Abtastungszeitpunkt erfasst wird, direkt wieder. Die Zeitverzögerung wird als die Anzahl von Abtastzeitpunkten ausgedrückt und ist wieder durch einen ganzzahligen Index mit dem Wert (0, 1, ..., N – 1) gekennzeichnet. Wie in 1B veranschaulicht ist, wird die Abbildung realisiert, indem die Zustandsvariable der Beobachtungseinrichtung als Eingabe in den periodischen Controller ausgewählt wird, die durch diese Zahl als ein Versatz in Bezug auf die erste Zustandsvariable angegeben wird. Es wird z. B. die erste Zustandsvariable zurückgeführt, wenn der Index null ist, die zweite Zustandsvariable wird zurückgeführt, wenn der Index eins ist, usw.
  • Um eine stabile Steuerung einzelner Zylinder über einem erweiterten Bereich von Motorbetriebsbedingungen zu erreichen, kann dieser Indexwert für verschiedene Motorarbeitspunkte ermittelt werden und in einer Nachschlagtabelle z. B. als eine Funktion der Motordrehzahl und der Belastung gespeichert werden. Da sich jedoch die dynamischen Charakteristiken (d. h. die Zeitkonstanten und somit die Phasenverschiebungen) des Motors zeitlich ändern können, können einige der in der Nachschlagtabelle enthaltenen Daten unzutreffend werden. Es ist deswegen wichtig, den Betrieb des Steuersystems zu überwachen und bei Bedarf korrigierende Änderungen der Stellgröße auszuführen.
  • Die Patente EP-A-0 953 754, EP-A-0 670 419, EP-A-0 408 206 und der Artikel "Automotive Control Systems" von J. A. Cook u. a. (IEEE Control Handbook, 1996, S. 1261–1274) beschreiben jeweils ein Verfahren zum Steuern der Kraftstoffversorgung von einzelnen Zylindern eines Mehrzylinder-Verbrennungsmotors auf der Grundlage eines Ausgangssignals eines einzelnen Sauerstoffsensors, wobei eine Beobachtungseinrichtung verwendet wird, um zylinderspezifische Zustandsvariable zu bestimmen.
  • Ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist aus dem US-Patent Nr. 5.806.506 bekannt.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Steuerung der Kraftstoffversorgung einzelner Zylinder auf der Grundlage von abgetasteten Messwerten eines einzelnen Sauerstoffsensors, der auf die kombinierte Abgasströmung von mehreren Motorzylindern anspricht. Gemäß der Erfindung wird eine modellbasierte Beobachtungseinrichtung verwendet, um die Ungleichgewichte der verschiedenen Zylinder wiederzugeben und ein Proportional/Integral-Controller wird für ihre Eliminierung verwendet. Sowohl die Beobachtungseinrichtung als auch der Controller sind in Bezug auf ein periodisches System dargestellt. Das Eingangssignal der Beobachtungseinrichtung wird vorverarbeitet, so dass es zu jedem Zeitpunkt die Abweichung vom Ist-Mittelwert des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses wiedergibt, der über zwei Motorzyklen berechnet wird. Deswegen beeinflussen schwankende Motorbetriebsbedingungen die Rekonstruktion der Zylinderungleichgewichte nicht wesentlich. Der Steueralgorithmus besitzt eine Prozess/Controller-Synchronisation basierend auf einer Nachschlagtabelle sowie einen Mechanismus, um die Abbildung zwischen den Schätzwerten der Beobachtungseinrichtung und den entsprechenden Zylindern einzustellen, wenn ein instabiler Regelbetrieb erfasst wird.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • 1A ist ein Funktionsdiagramm für eine zeitlich unveränderliche Darstellung von Unregelmäßigleiten der Kraftstoffversorgung eines Zylinders;
  • 1B ist ein Funktionsdiagramm für eine periodische Darstellung von Unregelmäßigleiten der Kraftstoffversorgung eines Zylinders;
  • 2 ist eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors und eines Abgassystems gemäß der Erfindung mit einem elektronisches Motorregelmodul; und
  • die 3 und 4 sind Ablaufpläne, die Computerprogrammbefehle darstellen, die durch das Regelmodul von 1 ausgeführt werden, wenn die Kraftstoffregelung dieser Erfindung ausgeführt wird. 3 ist ein Ablaufplan, der ein Prüfverfahren zum Bestimmen des Phasenversatzes veranschaulicht, während 4 ein Ablaufplan des gesamten Regelungsverfahrens ist.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
  • In der Zeichnung und insbesondere in 2 bezeichnet das Bezugszeichen 10 allgemein einen Vierzylinder-Kraftfahrzeugverbrennungsmotor. Der Motor 10 erhält Einlassluft durch einen Einlassdurchlass 12, der durch ein bewegliches Drosselventil 14 veränderlich eingeschränkt wird. Nach dem Drosselventil 14 tritt die Einlassluft in einen Einlasskrümmer 16 ein, der sie über eine Vielzahl von Einlasskanälen 18–24 auf die einzelnen Motorzylinder (die nicht gezeigt sind) verteilt. Die Kraftstoffeinspritzeinrichtungen 26–32 sind angeordnet, um eine vorgegebene bestimmte Menge von Kraftstoff an jeden Einlasskanal 18–24 für eine Kombination mit der Einlassluft zu liefern und diese zu entsprechenden Motorzylindern für eine darin erfolgende Verbrennung durchzulassen. Die Verbrennungsprodukte von jedem Zylinder werden in entsprechende Auslasskanäle 34–40 eines Abgaskrümmers 42 ausgestoßen und an einem Zusammenflusspunkt in einem Abgasrohr 44 kombiniert, das wiederum für Zwecke der Emissionssteuerung mit einem Katalysator 46 verbunden ist.
  • Die Kraftstoffeinspritzeinrichtungen 26–32 werden durch ein Kraftstoffregelmodul 50 unter der Steuerung eines mikroprozessorbasierten Motorcontrollers 52 elektrisch aktiviert. Im Einzelnen erzeugt der Controller 52 eine Kraftstoffbefehlsimpulsbreite oder eine Einschaltzeit der Einspritzeinrichtung für jeden der Motorzylinder und stellt die Impulsbreitenbefehle über die Leitung 53 an das Kraftstoffregelmodul 50 bereit, wobei das Kraftstoffregelmodul die Einspritzeinrichtungen 26–32 dementsprechend aktiviert. Die Kraftstoffimpulsbreiten werden in Reaktion auf mehrere Eingaben bestimmt, die ein Signal des Krümmerabsolutdrucks (MAP) auf der Leitung 54, ein Signal der Motordrehzahl (RPM) auf der Leitung 56 und ein Signal des Sauerstoffsensors (Φs) auf der Leitung 58 enthalten. Das MAP-Signal wird von einem herkömmlichen Drucksensor 60 erhalten, der auf den Druck der Einlassluft im Einlasskrümmer 16 anspricht, und das RPM-Signal kann von einem herkömmlichen Kurbelwellen- oder Nockenwellensensor erhalten werden, der allgemein mit dem Bezugszeichen 62 angegeben ist. Das Signal Φs wird von einem herkömmlichen Breitband-Abgassauerstoffsensor 64 erhalten, der eine Ausgangsspannung bereitstellt, deren Amplitude um eine Versatz-Gleichspannung in Bezug auf die Abweichung des erfassten Abgases von einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis variiert.
  • Der Motorcontroller 52 bestimmt im Allgemeinen eine grundlegende Kraftstoffimpulsbreite als eine Funktion der RPM- und MAP-Signale sowie weiterer Eingaben, wie etwa die Temperatur und der barometrische Druck. Die grundlegende Kraftstoffimpulsbreite kann alternativ anhand einer Messung der Massenluftströmung in den Einlasskanal 12 unter Verwendung eines Massenluftströmungsmessers vor der Drosselplatte 14 bestimmt werden. Der Controller 52 stellt dann die grundlegende Kraftstoffimpulsbreite unter Verwendung im Voraus erlernter Korrekturen mit geschlossenem Regelkreis ein, die typischerweise in einer elektrisch löschbaren, nicht flüchtigen Nachschlagtabelle des Controllers 52 als eine Funktion von MAP und RPM gespeichert sind. Bei einem allgemeinen Typ der Kraftstoffregelung wird die eingestellte grundlegende Kraftstoffimpulsbreite dann an das Kraftstoffregelmodul 50 bereitgestellt, das die Einspritzeinrichtungen 26–32 (entweder nacheinander oder gleichzeitig) während einer Einschaltzeit aktiviert, die der eingestellten grundlegenden Kraftstoffimpulsbreite entspricht. Bei einer Einzelzylinder-Kraftstoffregelung gemäß dieser Erfindung erzeugt der Controller 52 jedoch zylinderspezifische Kraftstoffimpulsbreiten, indem für jeden Zylinder ein Korrekturfaktor ermittelt wird und diese Korrekturfaktoren auf die eingestellte grundlegende Kraftstoffimpulsbreite angewendet werden. Bei einem Vierzylindermotor stellt der Controller 52 z. B. vier zylinderspezifische Kraftstoffimpulsbreiten an das Kraftstoffregelmodul 50 bereit, das die einzelnen Einspritzeinrichtungen 26–32 dementsprechend aktiviert.
  • Wie oben angegeben ist, besteht das wesentliche Merkmal bei der Einzelzylinder-Kraftstoffregelung anhand eines einzelnen Breitband-Sauerstoffsensors in der Fähigkeit, die Zylinderungleichgewichte zu gewinnen und abgetastete Sensorsignale den Abgasen eines einzelnen Zylinders zuzuordnen. Wenn die Zuordnung festgelegt ist, werden Einzelzylinder-Korrekturfaktoren ermittelt, um zylinderspezifische Kraftstoffimpulsbreiten zu bilden. Die Rekonstruktion von Versorgungsungleichgewichten des Motors aus dem Signal Φs basiert auf der Annahme, dass einzelne Abgaspakete vorhanden sind, die einer Zylinderzündung zugeordnet sind, und dass jedes Abgaspaket einen charakteristischen Einfluss auf das Signal Φs besitzt. Somit liefert das Signal Φs eine gefilterte Version der ursprünglichen Ungleichgewichtsfolge, die sowohl die Mischung von benachbarten Paketen im Abgasrohr als auch die Dynamik, die dem Erfassungsprozess innewohnt, wiedergibt.
  • Die Sensordynamik wird als ein Prozess erster Ordnung modelliert, der eine empirisch bestimmte Zeitkonstante τs besitzt. Das Sensormodell wird angegeben als:
    Figure 00090001
    wobei Φmix(t) das Luft/Kraftstoff-Verhältnis am Ort des Sensors und Φs(t) das durch den Sensor 64 angegebene Luft/Kraftstoff-Verhältnis ist. Der Wert Φmix(t) ist vom Grad der Vermischung zwischen den Abgaspaketen der verschiedenen Zylinder abhängig. Wenn Φ(t) das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in dem Abgaspaket des zuletzt gezündeten Zylinders zum Zeitpunkt t bezeichnet und Δt das Zeitintervall (ti – ti–1) zwischen zwei Zündereignissen des Motors bezeichnet, kann Φmix(t) modelliert werden als:
    Figure 00090002
    wobei N die Anzahl von Zündereignissen während eines Motorzyklus ist und ci(t) eine Gruppe von Koeffizienten ist, die den Einfluss der Abgaspakete gewichten, die in einem Motorzyklus auftreten. Typischerweise besitzen c1(t) den größten Wert und cN(t) den kleinsten Wert, was bedeutet, dass das jüngste Abgaspaket während eines Motorzyklus am stärksten und das älteste Abgaspaket am wenigsten zu Φmix(t) beitragen.
  • Da der Motor inhärent in einer ereignisbasierten Betriebsart arbeitet, ist es vorteilhaft, das vollständige Modell der Abgasmischung und -erfassung in einer zeitdiskreten Schreibweise zu formulieren. Mit ks = exp{–Δt/ts}, Δt = tk – tk–1 und unter Berücksichtigung von Gleichung (2) lautet die zeitdiskrete Version von Gleichung (1):
  • Figure 00100001
  • Da die Abtastereignisse tk mit den Zylinderzündereignissen zusammenfallen, bleiben die Gewichtungsfaktoren ci(t) von einem Motorzyklus zum nächsten Zyklus konstant. Das Abtastintervall Δt = tk – tk–1 variiert jedoch gemäß dem Zeitintervall zwischen zwei aufeinander folgenden Zündereignissen.
  • Wenn ξ(tk) das nicht korrigierte Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Zylinders bezeichnet, der zum Zeitpunkt tk zündet, und υ(tk) den entsprechenden Kraftstoffimpulsbreiten-Anpassungsfaktor bezeichnet, kann das tatsächliche Luft/Kraftstoff-Verhältnis Φ(tk) beim Abtastereignis tk während eines stationären Motorbetriebs ausgedrückt werden als: Φ(tk) = ξ(tk)·υ(tk) (4)
  • Die Gleichungen (3) und (4) repräsentieren das gewünschte System für den Controllerentwurf mit υ(tk) als Eingabevariable und Φs(t) als Ausgabevariable. Eine Dynamik infolge Wandbenetzung und Einlasskrümmer kann vernachlässigt werden, solange die Änderungen des Anpassungsfaktors υ(tk) klein sind im Vergleich zu den Zeitkonstanten der Dynamik infolge Wandbenetzung und Krümmer. Die Gleichungen (3) und (4) berücksichtigen jedoch keine Verzögerungen, die in dem realen Prozess auftreten. Es ist demzufolge vorteilhaft, eine nominelle oder durchschnitt liche Luft/Kraftstoff-Verlaufskurve eines ausgeglichenen Motors und die Variablen der Beobachtungseinrichtung in Bezug auf ihre Abweichung von der nominellen Verlaufskurve zu definieren. Die nominelle Verlaufskurve während zwei Motorumdrehungen wird durch die Ausdrücke Φ*, ξ*, υ* angegeben und ist in der folgenden Weise definiert.
  • Figure 00110001
  • Diese nominelle Verlaufskurve ist im Wesentlichen eine gefilterte Version des gemessenen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses und hebt jene Bestandteile des gemessenen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses an, die das Ungleichgewichtsmuster des Zylinders enthalten, während jene Bestandteile abgeschwächt werden, denen Motorgeräusch und ein abweichender Motorbetrieb zugeschrieben werden können. Die Variablen der Abweichung der Beobachtungseinrichtung φs(tk), φ(tk), x(tk), u(tk) sind dann in der folgenden Weise definiert: φs(tk) = Φs(tk) – Φ*(tk) φ(tk) = Φ(tk) – Φ*(tk) x(tk) = ξ(tk) – ξ*(tk) u(tk) = υ(tk) – υ* (6)wobei φs(tk) das erfasste Ungleichgewicht des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses ist, φ(tk) das tatsächliche Ungleichgewicht des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses ist, x(tk) das ursprüngliche Ungleichgewicht des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses des Zylinders ist und u(tk) das Anpassungssignal ist, wobei langsame Änderungen von Φ* und eine Motorbetriebsbedingung nahe an stöchiometrischen Bedingungen vorausgesetzt werden. Die Gleichung (4) kann dann anhand von Gleichung (6) für einen einzelnen Zylinder in der folgenden Weise ausgedrückt werden: φ(tk) = x(tk) + u(tk) (7)
  • Durch die Verwendung der in den Gleichungen (6) angegebenen Definitionen und indem aus Gleichung (2)
    Figure 00120001
    eingeführt wird, kann ebenso die Gleichung der Sensordynamik (3) in der folgenden Weise ausgedrückt werden: φs(tk) = ksφs(tk–1) + (1 – ks)φmix(tk–1) (9)
  • Offensichtlich ist die unendliche Folge von Zylinderungleichgewichten x(tk) in Gleichung (7) mit der Periode N periodisch; d. h. x(tk) = x(tk–N). Die Folge kann erzeugt werden, indem die folgende rekursive Prozedur angewendet wird: z1(tk) = xN(tk–1) x2(tk) = x1(tk–1) ... xN(tk) = xN–1(tk–1) x(tk) = x1(tk) xi(0) = x i i = 1, ..., N (10)wobei x i das nicht korrigierte Ungleichgewicht des i-ten Zylinders ist. Die Gleichung (10) setzt voraus, dass jede Zustandsvariable xi jedes Zylinderungleichgewicht in einem sich wiederholenden Muster mit der Periode eines Motorzyklus annimmt. Ferner besitzen alle Zustandsvariable identische Muster, aber das Muster jeder Variable ist in Bezug auf die vorhergehende Variable um ein Abtastereignis verschoben. Das heißt, jede Zustandsvariable xi(tk) gibt an einem bestimmten Abtastpunkt das Ungleichgewicht eines bestimmten Zylinders und am nächsten Abtastpunkt das Ungleichgewicht des (in Bezug auf die Zündreihenfolge) folgenden Zylinders wieder usw. Somit geben die Zeitspannen, die in jeder Komponente der Gleichung (10) enthalten sind, das sich periodisch ändernde Muster des Gleichgewichtsverhältnisses an dem Zusammenflusspunkt 43 in dem Abgasrohr 44 für den Fall wieder, dass die Anpassungsvariablen u(tk) null sind. Es kann natürlich eine der Gleichung (10) ähnliche Darstellung gefunden werden, um die Periodizität der geforderten Anpassungsvariablen zu kennzeichnen: u1(tk) = uN(tk–1) + Δu(tk–1) u2(tk) = u1(tk–1) ... uN(tk) = uN–1(tk–1) u(tk) = u1(tk) ui(0) = 0 i = 1, ..., N (11)
  • Der Ausdruck Δu(tk–1) bezeichnet die Anpassungseinstellung oder die Steuereingabe, die benötigt wird, um die Zylinder allmählich auszugleichen. Offensichtlich gilt Δu(tk–1) = 0 für ausgeglichene Zylinder.
  • Wird φi(tk) = xi(tk) + ui(tk), i = 1, ..., N definiert und werden die Komponenten der Gleichungen (10) bzw. (11) summiert, folgt aus der Gleichung (7): φ1(tk) = φN(tk–1) + Δu(tk–1) φ2(tk) = φ1(tk–1) ... φN(tk) = φN–1(tk–1) φ(tk) = φ1(tk) (12)
  • Die Gleichung (12) beschreibt das Verhalten der Ungleichgewichte des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses, die an dem Zusammenflusspunkt 43 des Abgassystems wahrgenommen werden. Aus den Gleichungen (8), (9) und (12) kann die folgende Darstellung des Gesamtsystems erhalten werden:
  • Figure 00130001
  • Wird φ(t) = [φ1(t) ... φN(t)φs(t)]T eingeführt, kann Gleichung (13) in Vektorschreibweise ausgedrückt werden als φ(tk) = Aφ(tk–1) + BΔu(tk–1) y(tk) = φs(tk) = Cφ(tk) (14)wobei A ∊ R(N+1)×(N+1), B ∊ R(N+1)×1, C ∊ R1×(N+1),und
  • Figure 00140001
  • Gleichung (14) repräsentiert ein dynamisches Modell für jene Abweichungen des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses im Abgas, die lediglich infolge von Zylinderungleichgewichten auftreten, und stellt eine bequeme Grundlage für den Entwurf einer Beobachtungseinrichtung dar, um die Ungleichgewichte des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses zu gewinnen, die in den Abgaspaketen erscheinen. Obwohl Gleichung (14) voraussetzt, dass die Anpassungsvariable ein inhärenter Teil der Anlage ist, erfordert der Kraftstoffcontroller die Anpassungseingabe in der Form von Gleichung (4); somit gilt υ(tk) = favg + u(tk) = favg + uN(tk–1) + Δu(tk–1) (15)wobei favg einen Faktor bezeichnet, der eine Einstellung des Sollwerts des durchschnittlichen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses ermöglicht.
  • Es wird angenommen, dass die Anpassungseinstellung Δu(tk) im Vergleich zu den Zylinderungleichgewichten verhältnismäßig klein ist. Deswegen kann der Eingabeausdruck in Gleichung (14) für den Entwurf der Beobachtungseinrichtung weggelassen werden. Wenn
    Figure 00150001
    einen Schätzwert von φ(tk) bezeichnet und  = A – ΔA, wobei ΔA Modellierungsfehler repräsentiert, die mit dem Sensor und der Mischdynamik verbunden sind, d. h.
    Figure 00150002
    kann die folgende allgemeine Zustand-Raum-Darstellung für die Beobachtungseinrichtung gefunden werden:
  • Figure 00150003
  • Der konstante Kalman-Verstärkungsvektor K ∊ RN+1 wird gemäß K = MCTS–1 (18)berechnet, wobei M ∊ R(N+1)×(N+1) iterativ aus M = P – PCT(CPCT + S)–1CP F = ÂMÂT + Q (19)berechnet wird. Genauer gesagt, die Matrizen S ∊ R und Q ∊ R(N+1)×(N+1) geben statistische Eigenschaften der Eingangs- und Ausgangssignale des realen Prozesses wieder. In dem vorliegenden Kontext werden sie jedoch lediglich als Entwurfsparameter für das Filter verwendet.
  • Gleichung (11) setzt voraus, dass eine integrale Regelaktion erforderlich ist, um Anpassungsfehler des stationären Zylinders zu vermeiden. Bei der vorliegenden Lösung wird ein einfacher Proportional-Integral-Controller (PI-Controller) entworfen, um diese Forderung zu erfüllen. Der Controller ist gegeben als z1(tk) = zN(tk–1) + e(tk) z2(tk) = z1(tk–1) ... zN(tk) = zN–1(tk–1) u(tk) = –kiz1(tk) – kpe(tk) (20)wobei u(tk) den Regeleingang des Motoreinspritzsystems bestimmt (siehe Gleichung (15)) und e(tk) das Ungleichgewicht des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses wiedergibt, das in dem Abgaspaket des Zylinders erscheint, der mit der Variablen u(tk) verbunden ist.
  • Werden die Vektorkomponenten u1(tk) = u(tk), u2(tk) = u(tk–1), ..., uN(tk) = u(tk–N+1) eingeführt, ergibt sich die Gleichung (20) als z1(tk) = zN(tk–1)+ e(tk–1) z2(tk) = z1(tk–1) ... zN(tk) = zN–1(tk–1) u1(tk) = –kiz1(tk) – kpe(tk–1) = –kizN(tk–1) – (ki + kp)e(tk–1) u2(tk) = u1(tk–1) ... uN(tk) = uN–1(tk–1) (21)oder in Vektorschreibweise mit z(tk) = [z1(tk) ... zN(tk)]T und u(tk) = [u1(tk) ... uN(tk)]T als z(tk) = Fz(tk–1) + Ge(tk–1) u(tk) = Lu(tk–1) + Mz(tk–1) + Ne(tk–1) (22)wobei F, L, M ∊ RN×N, G, N ∊ RN×1 und
  • Figure 00170001
  • Die Gleichung (21) ist natürlich gleichbedeutend mit der Gleichung (11), wobei Δu(tk–1) ≡ u1(tk) – uN(tk–1). Somit gilt Δu(tk–1) = –kizN(tk–1) – (ki + kp)e(tk–1) - uN(tk–1) = Uz z(tk–1) + Uu u(tk–1) + Ve(tk–1) (23)mit Uz, Uu ∊ RN×1, V ∊ R und Uz = [0 ... 0 – ki], Uu = [0 ... 0 – 1], V = – (ki + kp)
  • Ferner kann das Fehlersignal e(tk–1) beschrieben werden als
    Figure 00170002
    wobei H = [δ0,index δ1,index ... δN,index]und δi,j der Kronecker-Deltawert ist, d. h. δi,j = 0 für alle i ≠ j und δi,j = 1. Die Größe index ist eine ganze Zahl zwischen 0 und N – 1. Sie ist gleich null, wenn das echte System durch Gleichung (14) exakt repräsentiert wird, sie kann jedoch beim Vorhandensein nicht modellierter Verzögerungen und einer nicht modellierten Dynamik einen anderen Wert besitzen. Dieser Aspekt ist nachfolgend bezüglich der Synchronisation berücksichtigt.
  • Mit (23) und (24) ist die vollständige Zustand-Raum-Darstellung des Controllers gegeben durch z(tk) = Fz(tk–1) + Ge(tk–1) u(tk) = Lu(tk–1) + Mz(tk–1) + Ne(tk–1) Δu(tk–1) = Uz z(tk–1)+ Uu u(tk–1) + Ve(tk–1) (23)wobei e(tk–1) nach Gleichung (24) berechnet wird.
  • Die vollständige Kompensationseinrichtung enthält die Beobachtungseinrichtung und den Controller, die in den Gleichungen (17) bzw. (25) beschrieben sind. Wird
    Figure 00180001
    eingeführt, ist die Dynamik der kompakten Kompensationseinrichtung in der folgenden Weise gegeben ζ(tk) = Ac ζ(tk–1) + Bcy(tk–1) Δu(tk–1) = Cc ζ(tk–1) + Dcy(tk–1) (26)wobei
    Figure 00180002
    Cc = [VH[Â – KC]UzUu] ∊ R3N+1, Dc = VHK ∊ R
  • Wie oben erwähnt wurde, ist die Synchronisation zwischen dem Controller und der Beobachtungseinrichtung eine Sache der Identifizierung der Variablen index, die die Matrix H festlegt, die in den Systemmatrizen von (26) enthalten ist. Durch eine spezielle Synchronisation der Beobachtungseinrichtung und des Controllers kann die korrekte Abbildung zwischen den Zylindern und den gewonnenen Ungleichgewichten hergestellt werden. Die Gleichung (14) repräsentiert ein diskretes Modell eines Pro zesses, der sowohl zeitkontinuierliche dynamische Abschnitte (Sensor, Gasströmung in dem Abgaskrümmer) als auch zeitdiskrete dynamische Abschnitte (ereignisgesteuerter Betrieb der Zylinder) beinhaltet. Außer der Dynamik, die durch dieses Modell erfasst wird, enthält der Prozess kontinuierliche Transportverzögerungen, die eine Phasenverschiebung zwischen dem Messsignal und dem Modellausgang einführen. Die Verzögerungen führen ebenso eine Phasenverschiebung zwischen dem ursprünglichen Ungleichgewichtsmuster φ(tk), φ(tk–1), ..., φ(tk–N+1) und dem gewonnenen Muster ein, das in den ersten N Komponenten φ ^1(tk), ... φ ^Ν(tk) des Zustandsvektors
    Figure 00190001
    (tk) der Beobachtungseinrichtung enthalten ist. Für eine stabile Regelkreis-Regelung einzelner Zylinder ist es jedoch unbedingt erforderlich, diese Phasenverschiebung zu identifizieren, so dass jedes Ungleichgewicht, das aus den Messinformationen extrahiert wird, seinem entsprechenden Zylinder zugeordnet werden kann. Wie in 3 veranschaulicht ist, ist es für diesen Zweck ausreichend, die Phasenverschiebung als einen Bruchteil der Zeitdauer einer Periode zu identifizieren. Dieser Bruchteil kann in Bezug auf Abtastereignisse als eine Zahl index ausgedrückt werden, wobei 0 ≤ index ≤ N – 1. Sie ist ein kennzeichnender Parameter für jeden Arbeitspunkt und gibt an, dass zu einem vorgegebenen Zeitereignis tk das in der Komponente (1 + index von
    Figure 00190002
    (tk) enthaltene Ungleichgewicht den Zylinder betrifft, der Gegenstand der gegenwärtigen Regelvariable u(tk) ist; siehe Gleichung (20).
  • Wie oben angegeben ist, enthält ein wichtiger Aspekt dieser Erfindung das Überwachen der Systemleistung bei einer Regelung mit geschlossenem Regelkreis und bei Bedarf eine Änderung der Kalibrierungseinstellung. Um die Systemleistung zu überwachen, wird das Gütemaß
    Figure 00200001
    d. h. die Summe der Absolutwerte der Abgaspaketungleichgewichte φ(tk) während eines Motorzyklus betrachtet. Da ein stabiler Regelbetrieb einzelner Zylinder per Definition anfangs sich vermindernde und dann nicht anwachsende Ungleichgewichte bedeutet, kann der Trend der Größe, die durch die Gleichung (27) repräsentiert wird, in ein sehr empfindliches Stabilitätskriterium umgewandelt werden. Die echten Werte der Ungleichgewichte φ(tk) stehen jedoch nicht zur Verfügung. Deswegen wird das Gütemaß σ(tk) berechnet, wobei die geschätzten Ungleichgewichtswerte verwendet werden, die von der Beobachtungseinrichtung bereitgestellt werden (die ersten N Komponenten von Gleichung (17)), d. h.
  • Figure 00200002
  • Bei vorgegebenen anfänglichen Zylinderungleichgewichten ist ein stabiler Betrieb des Einzelzylinder-Regelalgorithmus durch eine allmähliche Verringerung des Gütemaßes σ(tk) und umgekehrt gekennzeichnet. Darüber hinaus sind für einen stabilen Regelbetrieb ein Zeitpunkt tc und ein Wert σmax vorhanden, so dass gilt
  • Figure 00200003
  • Die Größe σmax repräsentiert für einen ausgeglichenen Motor einen oberen Grenzwert von σ(tk), der für jeden Motorarbeitspunkt einen speziellen Wert besitzt. Anhand von (28) und (29) wird das Kriterium, das einen instabilen Regelbetrieb angibt, nun in der folgenden Weise definiert: σ(jk) > ktol:σcrit(k) (30)wobei
    Figure 00210001
    und ktol > 1 als ein Faktor angesehen werden kann, der eine ausreichende Toleranz in Bezug auf natürliche Schwankungen und Geräuschkomponenten, die in σ(tk) auftreten, schafft.
  • Die vorliegende Erfindung zeigt zwei alternative Verfahren zum Identifizieren des oben erläuterten Phasenversatzes, wenn durch das Gütekriterium von Gleichung (39) ein instabiler Betrieb angegeben wird. Gemäß einer ersten Ausführungsform wird der Phasenversatz durch ein empirisch praktisches Verfahren bestimmt, das eine anfängliche Abschätzung der Phasenversatzvariable index enthält. Der Regelalgorithmus wird unter der Annahme ausgeführt, dass index den wahren Phasenversatz repräsentiert. Wenn die Zylinderungleichgewichte gegen null konvergieren, wird daraus geschlossen, dass die anfängliche Abschätzung tatsächlich korrekt war und es wird nichts unternommen. Wenn das nicht der Fall ist (d. h., wenn das Gütekriterium des Regelsystems einen instabilen Betrieb angibt), wird die Versatzvariable index inkrementiert, die Integrierglieder des Controllers werden zurückgesetzt und der Regelalgorithmus wird neu gestartet. Diese Prozedur wird wiederholt, bis ein stabiler Regelbetrieb erreicht wird. Bei einem Motor mit N Zylindern enthält dieser Prozess einschließlich des anfänglichen Schritts höchstens N – 1 fehlerhafte Versuche.
  • Gemäß einer zweiten Ausführungsform, die durch den Ablaufplan von 3 veranschaulicht ist, wird der Phasenversatz durch ein Prüfverfahren bestimmt, bei dem ein periodisches Prüfsignal du (das im Block 116 berechnet wird), wobei |du| = fp, fp ≥ 0, dem Regeleingang u für einen bestimmten Zylinder überlagert und die maximale Antwort des gewonnenen Ungleichgewichtsmusters identifiziert wird. Die Prüfung wird während einer geraden Anzahl Np von Motorzündereignissen angewendet, wie im Block 100 angegeben ist. Während das System geprüft wird, wird der Einstellausdruck Δu in Gleichung (11) auf null gesetzt, so dass keine unerwünschte Rückkopplung erfolgt. Die Algorithmusvariablen, insbesondere die Zählervariablen, die logischen Variablen und die Integrierglied-Zustandsvariablen werden beim Beginn des Startens des Motors initialisiert. In 3 wird die periodische Zählervariable evnt_cnt (die im Block 102 geprüft wird) bei jedem Motorereignis inkrementiert und nach einem vollständigen Motorzyklus zurückgesetzt. Anfangs ist die Zählervariable gleich null und im Block 106 wird die Variable mask auf null gesetzt; beim nächsten Motorereignis wird mask im Block 104 auf eins gesetzt und das Vorzeichen der Variablen toggle wird geändert, die im Block 132 auf eins initialisiert wird, wenn das Gütekriterium von Gleichung (30) einen instabilen Regelbetrieb angibt. Der Merker pert (der im Block 108 geprüft wird) gibt an, dass der Algorithmus gegenwärtig an einer Prüffolge beteiligt ist. In der Prüffolge, die im Block 110 zusammengefasst ist, wird die Zählervariable pert_cnt inkrementiert, um die Anzahl von Motorereignissen zu akkumulieren, die während des Prüfintervalls aufgetreten sind. Wenn der Zähler den Referenzwert Np erreicht (ein geradzahliges Vielfaches von N; siehe Block 100), was im Block 112 ermittelt wird, werden im Block 114 die Zählervariable, der Merker pert und die Variable toggle zurückgesetzt und eine Rückwärtszählvariable wait_cnt wird initialisiert. Wenn der Algorithmus momentan nicht an einer Prüffolge beteiligt ist, wird im Block 118 der Zustand des Merkers wait geprüft, der im Block 100 gesetzt wird, wenn der Zählerstand im Zähler wait_cnt positiv ist. Wenn der Merker wait gesetzt ist, wird im Block 120 wait-cnt dekrementiert und das Gütekriterium von Gleichung (30) wird im Block 122 bewertet, nachdem wait-cnt auf null dekrementiert wurde, was eine bestimmte Anzahl von Abtastereignissen repräsentiert. Wie im Block 122 angegeben ist, wird der Merker trig_sync gesetzt, wenn das Gütekriterium von Gleichung (30) einen instabilen Regelbetrieb angibt. Wenn der Merker trig_sync nicht gesetzt ist, was im Block 124 festgestellt wird, wird im Block 126 unter Verwendung von Gleichung (24) die Fehlereingabevariable e(tk–1) berechnet. Wenn der Merker trig_sync gesetzt ist, wird im Block 128 die Fehlereingabevariable e(tk–1) auf null gesetzt und im Block 130 wird der Zustand der Zählervariable evnt_cnt geprüft. Sobald der Zähler einen Wert eins erreicht, werden im Block 132 der Merker pert gesetzt, der Merker trig_sync zurückgesetzt und die Variable toggle auf eins gesetzt.
  • Im Verlauf einer Prüffolge erfolgt die Berechnung von du(tk), die im Block 116 ausgeführt wird, in der folgenden Weise: du(tk) = mask(tk)·toggle(tk)·fp (32)wobei
  • Figure 00230001
  • Um Rückkopplungsaktionen zu vermeiden, die dem Störungssignal du(tk) entgegenwirken, wird die Fehlereingabevariable e(tk–1) in Gleichung (25) auf null gesetzt, wenn pert wahr ist. Somit ist während des Verlaufs eines Prüfintervalls das Anpassungssignal u(tk) gegeben durch: z1(tk) = zN(tk–1) z2(tk) = z1(tk–1) ... zN(tk) = zN–1(tk–1) u(tk) = –kiz1(tk) + du(tk) (33)
  • Aus Gleichung (32) wird deutlich, dass in jedem von zwei aufeinander folgenden Motorzyklen die Mischung des geprüften Zylinders von mager auf fett oder umgekehrt verschoben wird, wodurch bei dem Verhältnis des Abgasgleichgewichts ein Muster mit der Periode von zwei Motorzyklen induziert wird. Um das entsprechende Ungleichgewichtsmuster während der Prüfung zu gewinnen, muss die Anzahl von Zustandsvariablen in der Gleichung (17) der Beobachtungseinrichtung um N vergrößert werden. Dann enthalten jeweils N der ersten 2N Zustandsvariablen der Beobachtungseinrichtung die Wirkungen einer Prüffolge mit entgegengesetzter Prüfamplitude, wobei die restliche Zustandvariable wiederum den Sensorausgang repräsentiert. Bei einem normalen Regelbetrieb (ohne Prüfung) muss die Beobachtungseinrichtung jedoch trotzdem die Gleichung (17) erfüllen. Für eine Kompatibilität mit beiden Bedingungen wird die folgende Struktur der Beobachtungseinrichtung verwendet:
    Figure 00240001
    wobei Cp = [0 ... 0] ∊ R1×(2N+1), Kp = [k1 ... kN 0 ... 0kN+1]T ∊ R(2N+1)×1,wobei k1, ..., kN+1 die Komponenten von K bezeichnen (siehe die Gleichungen (19), (20), (21)) und die Matrix des modifizierten Systems
    Figure 00240002
    die Komponenten
    Figure 00240003
    enthält. Die Bedingung pert_cnt = Np (die im Block 112 erfasst wird) markiert den Endpunkt tpe des Prüfintervalls. An diesem Punkt (Block 114) wird die Zählervariable pert_cnt zurückgesetzt und der Merker pert wird auf unwahr gesetzt.
  • Um den benötigten Parameter index zu erhalten, werden zwei Vektoren ϕ 1(tk) = [φ ^1(tk) ... φ ^N(tk)]T und ϕ 2(tk) = [φ ^N+1(tk) ... φ ^2N(tk)]T die jeweils die gewonnenen Ungleichgewichtsfolgen von zwei aufeinander folgenden Motorzyklen zum Zeitpunkt tk enthalten, und der Differenzvektor dϕ(tk) = ϕ 2(tk) – ϕ 1(tk) (35)eingeführt. Der Phasenversatz index wird am Ende des Prüfintervalls erhalten, indem die Zeilennummer von Gleichung (35) identifiziert wird, die den maximalen Absolutwert enthält, und indem von dieser Zahl 1 subtrahiert wird, d. h.
    Figure 00250001
    wobei dϕi(tpe) das Element in der i-ten Zeile von dϕ(tpe) ist.
  • Um schließlich die Wiederaufnahme des Prüfmechanismus während und unmittelbar nach dem Ende des Prüfintervalls zu sperren, wird die Schwellenwertvariable σcrit (siehe Gleichung (31)) in der folgenden Weise neu bewertet:
  • Figure 00250002
  • Es ist wichtig an diesem Punkt anzumerken, dass eine Prüfung lediglich erfolgreich ausgeführt werden kann, wenn der Motor unter stationären Betriebsbedingungen läuft.
  • Die vorhergehende Erläuterung basiert auf der Annahme, dass Gleichung (36) immer eine eindeutige Lösung index besitzt. In der Praxis wird sich jedoch index ändern, wenn beim Motor eine Verschiebung von einem Arbeitspunkt zu einem anderen erfolgt. Es gibt demzufolge Arbeitspunkte, bei denen benachbarte Komponenten von dϕ den gleichen (Maximal-) Wert besitzen, so dass die Bewertung der Gleichung (37) mehrdeutig wird. Die Betriebshüllkurve des Motors umfasst natürlich viele unterschiedliche Arbeitspunkte, bei denen mehrdeutige Bedingungen auftreten. Darüber hinaus erweitern die Wirkungen den Prozessgeräusches den Umfang der Mehrdeutigkeit weit über den Bereich eines infinitesimal kleinen Betriebsbereichs hinaus, so dass die Gleichung (37) fehlerhafte Ergebnisse jedes Mal dann erzeugen kann, wenn der Motor nahe an einem Mehrdeutigkeitspunkt betrieben wird. Das Mehrdeutigkeitsproblem kann auf einen Grad mit vernachlässigbarer statistischer Bedeutung verringert werden, indem die Abtastfrequenz erhöht wird, so dass das Sensorsignal wenigstens zweimal pro Zündereignis abgetastet wird. Um die vergrößerte Anzahl von abgetasteten Datenpunkten, die in einem Motorereignis enthalten sind, aufzunehmen, wird die Anzahl von Zustandsvariablen in der Beobachtungseinrichtung eingestellt, wobei l = qN, q ∊ N+ die Anzahl der Abtastungsereignisse pro Motorereignis bezeichnet, so dass tj – tj–q = tk – tk–1 ∀ j = q·k und tj – tj–1 gleich der Zeit ist, die zwischen zwei Abtastereignissen abläuft. In diesem Fall sind die Zustandsvektoren der Beobachtungseinrichtung durch
    Figure 00260001
    (ohne Prüfung) und
    Figure 00260002
    (mit Prüfung) gegeben.
  • Ohne Prüfung und unter Bezugnahme auf Gleichung (18) können die Systemparameter in der folgenden Weise modifiziert werden:
    Figure 00270001
    wobei die konstante Kalman-Verstärkungsmatrix K gemäß Gleichung (19) berechnet wird, M ∊ R(l+1)×(l+1) aus Gleichung (20) berechnet wird, wobei Â, C in Gleichung (38) beschrieben sind und S ∊ R sowie Q ∊ R(l+1)×(l+1). Mit Gleichung (38) ist die grundlegende Beobachtungseinrichtung (die q-mal pro Zündereignis abgetastet wird) gegeben als
    Figure 00270002
    und der entsprechenden Controller (der einmal pro Zündereignis abgetastet wird) ist gegeben als z(tk) = Fz(tk–1) + Ge(tk–1) u(tk) = Lu(tk–1) + Mz(tk–1) + Ne(tk–1) Δu(tk–1) = Uz z(tk–1) + Uu u(tk–1) + Ve(tk–1) (40)wobei
    Figure 00270003
    H = [δ0,index, δ1,index ... δl–1,index0]R1×(l+1) und δi,j der oben definierte Kronecker-Deltawert ist.
  • Mit Prüfung und unter Bezugnahme auf Gleichung (35) können die Systemparameter in der folgenden Weise modifiziert werden:
    Figure 00280001
    wobei die Elemente ki von Kp aus der Gleichung (38) verwendet werden und δpert und δno_pert in der oben beschriebenen Weise definiert sind. Mit Gleichung (41) ist die Beobachtungseinrichtung (die q-mal pro Zündereignis abgetastet wird) gegeben als
    Figure 00280002
    und der entsprechende Controller (der einmal pro Zündereignis abgetastet wird) ist gegeben als z(tk) = Fz(tk–1) + Ge(tk–1) u(tk) = Lu(tk–1) + Mz(tk–1) + Ne(tk–1) Δu(tk–1) = Uz z(tk–1) + Uu u(tk–1) + Ve(tk–1) (43)wobei
    Figure 00280003
    Hp = [δ0,index δ1,index ... δl–1,index 0 ... 0] ∊ R1×(2l+1) und δi,j der oben definierte Kronecker-Deltawert ist. Es wird angemerkt, dass die Abbildung der Zylinderungleichgewichte auf die Zylinder nicht mehr eindeutig ist. Jeder Zylinder entspricht mehreren Ungleichgewichtsschätzwerten, so dass mehrere Werte der Variable index eine stabile Regelung einzelner Zylinder schaffen.
  • Die oben erwähnte Zählervariable evnt_cnt zählt die Abtastereignisse. Sie wird inkrementiert, solange sie kleiner oder gleich der Anzahl der Abtastereignisse pro Motorereignisse l ist und wird sonst auf eins zurückgesetzt. Jeweils q Abtastereignisse enthalten ein Zündereignis. Da die Kraftstoffprüfeingabe der Gleichung (32) ihren Wert während eines vollständigen Zündereignisses beibehalten muss, wird die Variable mask in folgender Weise neu definiert:
  • Figure 00290001
  • Wie oben angegeben ist, sind Anfangswerte für die Phasenvariable index durch eine Nachschlagtabelle festgelegt. Auf die Tabelle wird sowohl in einer Lese- als auch in einer Schreibbetriebsart zugegriffen, wobei die zuletzt genannte Betriebsart die Möglichkeit schafft, die Kalibrierung anhand der jüngsten Motordaten zu aktualisieren. Die Betriebsbedingungen sind in Bezug auf die Motordrehzahl n und den Einlasskrümmerdruck pm spezifiziert. Diese beiden Größen bilden die Achsen der Nachschlagtabelle. Die beiden Achsen sollen als
    Figure 00290002
    bzw. axisn = [n1 ... nj ... nm] definiert sein, so dass die Tabelle n × m Tabellenwerte ti,j enthält. Dann enthält jeder Wert ti,j den Wert index, der den Arbeitspunkt betrifft, der durch die Achsenwerte
    Figure 00290003
    und nj festgelegt ist, d. h.
  • Figure 00290004
  • Die Quantisierung oder Körnung
    Figure 00300001
    bzw. Δn = nj – nj–1 muss experimentell so ausgewählt werden, dass die Differenzen der Werte index, die zwei benachbarte Arbeitspunkte betreffen, nicht größer als eins sind. Mit anderen Worten, unter Verwendung von Gleichung (45) gilt: |ti,j – ti–1,j| ≤ 1 und |ti,j – ti,j–1| ≤ 1 und |ti,j – ti–1,j–1| ≤ 1 ∀i,j (46)
  • Bei einem vorgegebenen Fahrzeugtyp können die Tabellenwerte ti,j unabhängig für jeden Tabellengitterpunkt (
    Figure 00300002
    , nj) kalibriert werden, indem entweder das "empirisch praktische" Verfahren verwendet wird oder das Verfahren zur Prüfung und Berechnung von Gleichung (37) angewendet wird. Bei jedem vorgegebenen Arbeitspunkt (pm(tk), n(tk) wird der Tabellenwert so vorgesehen, dass er dem nächsten Gitterpunkt (
    Figure 00300003
    , nj) entspricht. Um eine Formelbeschreibung des Zuordnungsmechanismus zu schaffen, sollen
    Figure 00300004
    und Sn = (n1, n2, n3, ..., nm) die wohlgeordnete zahlbare Menge von Gitterpunkten auf der Druck- bzw. der Drehzahlachse bezeichnen und die Ordnungszahl für jedes Element xi einer wohlgeordneten zahlbaren Menge Sx = (x1, x2, ..., xi, ..., xp)als ord(xi) = i (47)definieren. Ferner wird xi ≤ x(tk) < xi+1 angenommen und
    Figure 00300005
    wird definiert. Dann sind die Tabellenwerte index für jeden Arbeitspunkt (pm(tk), n(tk) in der folgenden Weise festgelegt:
  • Figure 00310001
  • Nach einer Prüffolge bei stationären Betriebsbedingungen (gekennzeichnet durch einen Arbeitspunkt (pm(tk), n(tk)) wird dagegen der neu bewertete Wert index verwendet, um den Tabellenwert gemäß dem nächsten Gitterpunkt (
    Figure 00310002
    , nj) zu aktualisieren, d. h. in Formelschreibweise
  • Figure 00310003
  • Die oben beschriebene Regelung wird durch den Ablaufplan von 4 zusammengefasst, der Computerprogrammbefehle repräsentiert, die durch den Motorcontroller 52 von 2 ausgeführt werden. Die Regelung wird beim Starten des Motors ausgelöst, indem ein Notfallrücksetzmerker (reset) für alle Integrierglied-Zustandsvariable gesetzt wird und eine Abtastzählervariable (samp_cnt) zurückgesetzt wird, die verwendet wird, um Abtastereignisse zu identifizieren, die mit einem Zündereignis zusammenfallen. Bei jedem Abtastereignis werden die Blöcke 142–154 in der gezeigten Weise ausgeführt. Im Block 142 werden die Beobachtungseinrichtungsgleichung (39) oder (42) in Abhängigkeit davon, ob die Prüfung ausgeführt wird, aktualisiert, das Gütemaß σ(tk) und sein kritischer Wert unter Verwendung der Gleichungen (28) und (31) berechnet und der Index-Wert durch Nachschlagen der Tabelle über die Gleichung (49) erhalten. Anfangs wird der Rücksetzmerker (der im Block 144 geprüft wird) gesetzt und die Blöcke 146–148 werden ausgeführt. Im Block 146 werden die Controller-Integrierglieder z, u und die Merker zurückgesetzt, während im Block 148 die Anpassungsvariable υ(tk) unter Verwendung von Gleichung (15) aktualisiert wird und die Systemzählervariablen aktualisiert werden. Wenn der Rücksetzmerker nicht gesetzt ist, wird der Block 150 ausgeführt, um den Phasenversatz zu prüfen (indem entweder das empi risch praktische Verfahren oder Prüfverfahren verwendet werden) und den Wert index unter Verwendung von Gleichung (50) neu zu bewerten. Im Block 152 wird dann der Zustand der Abtastzählervariable geprüft und im Block 154 werden die Controllerausdrücke dementsprechend aktualisiert.
  • Zusammenfassend schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Realisieren einer Luft-/Kraftstoffregelung für einzelne Zylinder auf der Grundlage von abgetasteten Messungen eines einzelnen Sauerstoffsensors, der auf den kombinierten Abgasstrom von mehreren Motorzylindern anspricht, unter Verwendung einer modellbasierten Beobachtungseinrichtung, um die Ungleichgewichte der verschiedenen Zylinder zu reproduzieren, wobei ein Proportional-Integral-Controller für ihre Eliminierung verwendet wird. Während diese Erfindung unter Bezugnahme auf die dargestellte Ausführungsform beschrieben wurde, wird erwartet, dass dem Fachmann zusätzlich zu den oben vorgeschlagenen Modifikationen verschiedene Modifikationen deutlich werden. In dieser Hinsicht sollte klar sein, dass der Umfang dieser Erfindung nicht auf die dargestellte Ausführungsform beschränkt ist und dass Kraftstoffregelungen, die derartige Modifikationen enthalten, im Umfang dieser Erfindung liegen können, der durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.

Claims (5)

  1. Regelverfahren zum Versorgen von N einzelnen Zylindern eines Verbrennungsmotors (10) mit mehreren Zylindern auf Grundlage eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisses, das durch einen Sauerstoffsensor (64), der so positioniert ist, dass er auf eine Kombination von in den einzelnen Zylindern erzeugten Abgasen anspricht, erfasst wird, wobei das Regelverfahren die Schritte umfasst, dass: das von dem Sauerstoffsensor (64) erfasste Luft/Kraftstoff-Verhältnis bei Abtastereignissen, die synchron mit Zündereignissen in jedem der einzelnen Zylinder erfolgen, abgetastet wird, die Abtastungen des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses gefiltert werden, um ein durchschnittliches Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu definieren; die Abtastungen des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses und das durchschnittliche Luft/Kraftstoff-Verhältnis an ein Beobachtungsmodell des Motors und des Sensors angelegt werden, um N Zustandsvariablen zu erzeugen, die Luft/Kraftstoff-Ungleichgewichte in jeweiligen Motorzylindern schätzen, und um eine zusätzliche Zustandsvariable zu erzeugen, die eine Abweichung des abgetasteten Luft/Kraftstoff-Verhältnisses von dem durchschnittlichen Luft/Kraftstoff-Verhältnis schätzt; eine Abweichung des abgetasteten Luft/Kraftstoff-Verhältnisses von dem durchschnittlichen Luft/Kraftstoff-Verhältnis bei jedem Abtastereignis gemessen wird und alle Zustandsvariablen auf Grundlage einer Differenz zwischen der gemessenen Abweichung und der geschätzten Abweichung der zusätzlichen Zustandsvariable aktualisiert werden; ein vorher gespeicherter Index abgerufen wird, der die N Zustandsvariablen entsprechenden einzelnen Zylindern zuordnet, und jeder Zylinder auf Grundlage der Zustandsvariable, die diesem Zylinder zugeordnet ist, unter Verwendung einer Regelung mit geschlossenem Regelkreis versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, dass: ein Maß der Regelgüte auf Grundlage einer Summe der geschätzten Ungleichgewichte des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses berechnet wird; und wenn das Maß der Güte eine instabile Regelung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses angibt, ein neuer Indexwert bestimmt wird, der die N Zustandsvariablen den einzelnen Zylindern zuordnet, und der neue Index anstelle des abgerufenen Index gespeichert wird.
  2. Regelverfahren nach Anspruch 1, wobei das durchschnittliche Luft/Kraftstoff-Verhältnis über eine Vielzahl von Motorzyklen gefiltert wird.
  3. Regelverfahren nach Anspruch 1, wobei eine instabile Regelung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses angegeben wird, wenn zumindest eine vordefinierte Erhöhung des Maßes der Güte erfasst wird.
  4. Regelverfahren nach Anspruch 1, wobei das Beobachtungsmodell sowohl den Sauerstoffsensor als auch ein Mischen der Abgase oberstromig des Sauerstoffsensors umfasst.
  5. Regelverfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt zum Bestimmen eines neuen Indexwertes umfasst, dass: die Regelung mit geschlossenem Regelkreis zeitweilig deaktiviert wird, ein periodisches Prüfsignal auf den an einen einzelnen Zylinder gelieferten Kraftstoff über eine gerade Anzahl von Zündereignissen in einem stationären Betriebszustand des Motors überlagert wird; die N Zustandsvariablen überwacht werden, um ein maximales Ansprechen auf das Prüfsignal zu bestimmen; und der neue Indexwert auf Grundlage des bestimmten maximalen Ansprechens bestimmt wird.
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