DE602006000790T2

DE602006000790T2 - Verfahren zur Abschätzung mit einem nichtlinearen adaptiven Filter des Luft/Kraftstoffverhältnisses in einem Zylinder einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE602006000790T2
Application number: DE602006000790T
Authority: DE
Inventors: Jonathan Chauvin; Philippe Moulin; Gilles Corde; Nicolas Petit; Pierre Rouchon
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 2005-05-30
Filing date: 2006-04-03
Publication date: 2008-07-10
Anticipated expiration: 2026-04-04
Also published as: DE602006000790D1; EP1729001B1; FR2886345B1; JP2006336644A; US7483782B2; JP4964503B2; EP1729001A1; US20060271271A1; FR2886345A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abschätzung des Kraftstoffverhältnisses in jedem Zylinder einer Brennkraftmaschine ausgehend von einer Messung des Kraftstoffverhältnisses stromabwärts von dem Sammler und eines nichtlinearen adaptiven Filters.
Die Kenntnis des Kraftstoffverhältnisses, welches durch das Verhältnis der Kraftstoffmasse zu der Luftmasse gekennzeichnet ist, ist für alle Fahrzeuge von Bedeutung, die mit Benzin betrieben werden, da sie die Voraussetzung für eine gute Verbrennung des Gemisches ist, wenn das Verhältnis nahe 1 ist, oder für Fahrzeuge, die mit Diesel betrieben werden, für die das Interesse an der Kenntnis des Kraftstoffverhältnisses anders gelagert ist, da sie mit einem mageren Gemisch (Verhältnis unter 1) betrieben werden. Insbesondere Katalysatoren, die eine NOx-Falle verwenden, verlieren mit der Zeit an Wirksamkeit. Um zu einer optimalen Wirksamkeit zurückzugelangen, muss das Verhältnis während einiger Sekunden nahe 1 gehalten werden, um dann zum Normalbetrieb mit einem mageren Gemisch zurückzukehren. Die Entgiftung durch DeNOx-Katalyse erfordert somit eine genaue zylinderweise Einstellung des Kraftstoffverhältnisses.
Dazu gibt eine Sonde, die am Ausgang der Turbine (Turbomotor) und stromaufwärts von der NOx-Falle angeordnet ist, eine Messung des Verhältnisses, die durch den Abgasprozess gemittelt wird. Diese Messung, die sehr gefiltert und verrauscht ist, wird in Phasen mit einem Verhältnis gleich 1 zur Steuerung der in die Zylinder eingespritzten Massen verwendet, wodurch jeder Zylinder dieselbe Kraftstoffmasse erhält.
Zur genaueren und vor allem individuelleren Steuerung der Einspritzung von Kraftstoffmassen in die Zylinder ist eine Rekonstruktion des Verhältnisses in jedem Zylinder unverzichtbar. Da die Implantation von Sonden zur Messung des Verhältnisses am Ausgang jedes Zylinder für Fahrzeuge mit festgelegtem Kostenverhältnis nicht vorstellbar ist, ermöglicht die Anordnung eines Schätzers, der ausgehend von den Messungen einer einzigen Sonde funktioniert, vorteilhafterweise die separate Kenntnis der Verhältnisse in jedem der Zylinder.
Eine Motorsteuerung könnte somit ausgehend von den rekonstruierten Verhältnissen, die in jeden der Zylinder eingespritzten Kraftstoffmassen anpassen, damit die Verhältnisse in allen Zylindern ausgeglichen sind.
Aus der Patentschrift FR-2834314 ist die Beschreibung eines Modells, seiner Beobachtung und Filterung mit einem Kalmanfilter bekannt. Dieses Modell enthält keinerlei physikalische Beschreibung des Gemisches in dem Sammler und berücksichtigt die pulsatorischen Phänomene der Durchsätze nicht.
Die Schätzung des Verhältnisses in den Zylindern wird eindeutig durch die Koeffizienten einer Matrix bedingt, welche mit einem Optimierungsalgorithmus identifiziert werden müssen. Außerdem entspricht jedem Betriebspunkt (Drehzahl/Last) eine andere Einstellung der Matrix und somit einer Identifikation ihrer Parameter. Dieser Schätzer erfordert somit die Anordnung schwerer Versuchsmittel (mit 5 Verhältnissonden) und erweist sich im Falle eines Motorwechsels als wenig robust.
Ein weiteres Verfahren zum Abschätzen des Verhältnisses in den Zylindern wird in der Patentschrift US-5839415 beschrieben.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in einer feineren Modellierung des Abgasprozesses zum Durchlaufen einerseits eines Identifikationsschrittes und andererseits, um dem Modell zur Abschätzung des Kraftstoffverhältnisses mehr Robustheit zu verleihen, und dies für alle Betriebspunkte des Motors. Die Erfindung ermöglicht außerdem die Ausführung einer Messung alle 6° der Umdrehung der Kurbelwelle und somit den Erhalt einer hohen Informationsfrequenz der Messung des Verhältnisses, ohne jedoch in ein Messrauschen zu verfallen.
Somit betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Abschätzung des Kraftstoffverhältnisses in jedem der Zylinder einer Brennkraftmaschine, umfassend einen Abgaskreislauf, der mindestens Zylinder umfasst, die mit einem Sammler und einem Messfühler für das Kraftstoffverhältnis stromabwärts des Sammlers (λ) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst:

– von dem Gasdurchlauf in dem Abgaskreislauf bis zum Messfühler wird ein physikalisches Modell in Echtzeit erstellt;
– es wird eine Abschätzung des Kraftstoffverhältnisses (λ) definiert, welches von dem Messfühler gemessen wurde, ausgehend von mindestens einer Variablen des Modells;
– das Modell wird mit einem nichtlinearen adaptiven Schätzer gekoppelt, in dem die Abschätzung der Messung des gemessenen Kraftstoffverhältnisses berücksichtigt wird;
– es erfolgt eine Abschätzung in Echtzeit des Wertes des Kraftstoffverhältnisses in jedem der Zylinder, ausgehend von dem nichtlinearen adaptiven Schätzer.

Es kann auch eine Verzögerungszeit ausgewertet werden, die durch die Durchlaufzeit der Gase und die Reaktionszeit des Messfühlers begründet ist, indem ein Störungstest in einem gegebenen Zylinder durchgeführt und seine Wirkung auf den Messfühler gemessen wird.
Gemäß einer Ausführungsform kann das physikalische Modell mindestens die drei folgenden Variablenarten umfassen: die Gesamtgasmasse in dem Abgassammler (M_T), die Frischluftmasse in dem Abgassammler (M_air) und die Kraftstoffverhältnisse in jedem der Zylinder (λ_I). Diese Form kann somit mindestens die beiden folgenden Datenausgabearten umfassen: die Gesamtgasmasse in dem Abgassammler (M_γ) und die aus den Zylindern austretenden Massedurchsätze (d_i).
Das gemessene Kraftstoffverhältnis (λ) kann in Abhängigkeit von der Gesamtgasmasse in dem Abgassammler (M_T) und der Frischluftmasse in dem Abgassammler (M_air) abgeschätzt werden.
Die Abschätzung des Werts des Kraftstoffverhältnisses in jedem der Zylinder kann somit eine Korrektur in Echtzeit der Abschätzung der Gesamtgasmasse in dem Abgassammler (M_T), der Abschätzung der Frischluftmasse in dem Abgassammler (M_air) und der Abschätzung des Werts des Kraftstoffverhältnisses in jedem der Zylinder (λ_I) umfassen.
Schließlich kann das Verfahren auf eine Motorsteuerung angewendet werden, um die in jeden der Zylinder eingespritzten Kraftstoffmassen anzupassen, um das Kraftstoffverhältnis in allen Zylindern einzustellen.
Die vorliegende Erfindung wird beim Lesen der folgenden, keinesfalls einschränkenden, Beschreibung einer Ausführungsform besser verständlich und ihre Vorteile deutlicher ersichtlich, welche durch die im Folgenden angehängten Figuren veranschaulicht wird, in denen:
1 schematisch die beschreibenden Elemente des Abgasprozesses darstellt;
2A und 2B die Bezugsverhältnisse (λ ref / i) in Abhängigkeit von der Zeit (T) und die Ergebnisse des erfindungsgemäßen Schätzers (λ_I) in Abhängigkeit von der Zeit (T) für jeden der vier Zylinder zeigen;
3 die Struktur des Schätzers veranschaulicht;
4A und 4B Bezugsverhältnisse (λ ref / i) in Abhängigkeit von der Zeit (T) und die Ergebnisse des Schätzers unter Berücksichtung der erfindungsgemäßen Verzögerung (λ_I) in Abhängigkeit von der Zeit (T) für jeden der vier Zylinder zeigen.
Die Vorteile einer Abschätzung des Kraftstoffverhältnisses in jedem der einzelnen Zylinder gegenüber einer Abschätzung des Kraftstoffverhältnisses, die über die Gesamtheit der Zylinder gemittelt ist, sind zahlreich:

– Einsparung der Herstellungskosten, wenn die Abschätzung aus einer einzigen Sonde zur Messung des Verhältnisses am Ausgang der Turbine beruht;
– Verringerung verschmutzender Emissionen;
– Verbesserung des Fahrkomforts (Regulierung des Drehmoments);
– Verringerung des Kraftstoffverbrauchs;
– Diagnose des Einspritzsystems (Erfassen eines Abdriften eines Einspritzers oder eines Ausfalls des Einspritzsystems).

BESCHREIBUNG DES ABGASPROZESSES
Der Abgasprozess umfasst das Durchlaufen von Gasen zwischen dem Auslassventil bis zur freien Luft am Ende des Auspufftopfes. Der Motor aus dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist beispielsweise 4 Zylinder mit 2200 cm³ auf. Er ist mit einem Turbokompressor variabler Geometrie ausgestattet. Das Schema aus 1 zeigt die beschreibenden Elemente des Abgasprozesses, wobei:

– λ₁ bis λ₄ für die Verhältnisse in jedem der vier Zylinder stehen;
– SR für die Sonde zur Messung des Verhältnisses steht;
– CE einem Abgassammler entspricht;
– T der Turbine des Turbokompressors entspricht;
– DS1 bis DS4 die Durchsätze an den Zylinderausgängen darstellen.

Die Sonde zur Messung des Verhältnisses (SR) ist direkt nach der Turbine (T) angeordnet. Nach der Verbrennung in dem Zylinder durchlaufen die Gase die folgenden Aktionen:

– Durchlaufen des Auslassventils. Dieses wird von einem Nockenbaum gesteuert, somit ist der Hub glockenförmig. Bei Öffnung des Ventils gehen die Durchsatzwerte von einem erhöhten Wert zu einem geringeren Wert über, wenn die Drücke des Zylinders und des Sammlers einander annähern, und sie nehmen wieder zu, wenn der Kolben wieder beginnt hochzufahren, um die Abgase auszustoßen;
– Durchlaufen eines kurzen Ansaugrohrs, das den Sammler mit dem Ausgang des Zylinders verbindet;
– Mischphase in dem Abgassammler (CE), wo die Durchsätze (DS1 bis DS4) der vier Zylinder sich vereinigen. Hier wird ein Luftgemisch erzeugt, welches von der Art des Sammlers (symmetrisch oder asymmetrisch), des VÖA (Vorschuböffnungsausstoß) und des VVA (Verschlussverzugsausstoß), die den Einzugsanteil der Durchsätze bestimmen, abhängt;
– Durchlaufen der Turbine, die dem Einlass das nötige Drehmoment liefert. Auch wenn seine Wirkung auf die Durchsätze kaum bekannt ist, kann daran gedacht werden, dass er die von den verschiedenen Zylindern kommenden Luftgemische weiter vermischt;
– Messung durch eine Sonde vom Typ UEGO.

Die Zusammensetzung der Abgase hängt von den in die Brennkammer eingeführten Kraftstoff- und Luftmengen sowie von der Zusammensetzung des Kraftstoffes und der Entwicklung der Verbrennung ab.
In der Praxis misst die Verhältnissonde die Sauerstoffkonzentration im Inneren einer Verteilerkammer, setzt diese ins Verhältnis zur Abgasleitung durch eine aus porösem Material gefertigte Verteilerbarriere. Diese Konfiguration kann Differenzen einführen, die sich aus der Platzierung der ausgewählten Sonde ergeben, insbesondere aus Temperatur- und/oder Druckschwankungen in der Nähe der Verhältnissonde.
Dieses Phänomen von Verhältnisschwankungen, die von dem Druck oder der Temperatur abhängen, ist jedoch vernachlässigt worden, da die Disparitäten des Verhältnisses unter den Zylindern erfasst werden sollen, wobei normalerweise der Mittelwert von dem Schätzer behalten wird.
In dem physikalischen Modell in Echtzeit, welches von dem erfindungsgemäßen Schätzer verwendet wird, wird das gemessene Verhältnis (λ) mit der Luftmasse (oder dem Luftdurchsatz), die sich um die Sonde herum befindet, und mit der Gesamtmasse (oder Gesamtdurchsatz) verknüpft. Dieses Modell basiert auf drei Gasen: Luft, Brennstoff und Verbrennungsgasen. Bei einem mageren Gemisch wird davon ausgegangen, dass es sich bei der nach der Verbrennung verbleibenden Gesamtheit der Gase um eine Mischung aus Luft und Verbrennungsgasen handelt. Bei einem reichen Gemisch besteht ein Überschuss an Kraftstoff und nach der Verbrennung sind der nicht verbrannte Brennstoff und die Verbrennungsgase vorhanden, wobei die gesamte Luft verschwunden ist. In Wirklichkeit erfolgt die Verbrennung nie zu 100%, sondern die Verbrennung wird von unserem Schätzer als vollständig eingeschätzt.
Es wird eine Formel definiert, die das Verhältnis mit den Massen der drei genannten Arten verknüpft. Im Fall eines mageren Gemisches: Die Luft liegt im Überschuss vor und nach der Verbrennung bleibt kein Brennstoff übrig. Es wird angenommen, dass vor der Verbrennung die folgenden Massen in dem Zylinder vorliegen, wobei M_air, die Luftmasse, M_carb die Brennstoffmasse, und M_gazb die Masse der Verbrennungsgase ist: Mair = x; Mcarb = y; MgasB = 0
In Kenntnis dessen, dass zur Stoichiometrie 14,7 mal mehr Luft als Brennstoff vorliegen müssen, kann die folgende Tabelle erstellt werden, die die Massen jeder Art vor und nach der Verbrennung angibt:

Luftmasse Brennstoffmasse Verbrennungsgasmasse

Vor der Verbrennung x y 0

Nach der Verbrennung x – 14,7xy 0 y + 14,7xy
Da das Verhältnis λ das Verhältnis M_carb/M_air darstellt, erhält man nach der Berechnung der folgenden Formel, die nur gültig ist, wenn das Gemisch mager ist:
wobei PCO dem Verhältnis M_carb/M_air entspricht, wenn das Gemisch stoichiometrisch ist. PCO ist die Wärmekraft des Brennstoffs.
Bei einem reichen Gemisch ist die Formel wie folgt:
Diese Formeln sind jedoch nur in dem Fall gültig, wenn das Gemisch kein EGR enthält, da das Vorhandensein von Verbrennungsgasen die Konzentration der drei Gase im Abgas modifiziert.
In der vorliegenden Ausführungsform wird nur die Formel des Verhältnisses für das magere Gemisch in dem Schätzer bei der Integration des Verhältnisses in Formel (7) verwendet, und ein sehr geringer Luftanteil (< 3%) wird vernachlässigt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Form beschränkt, und die Formel wird zu einem Verhältnis von 1 weitergeführt und ihre Umkehrung stellt für reiche Gemische kein Problem dar.
Zum besseren Verständnis der Art und Weise, wie sich die Gase in den Abgasleitungen vermischen, wurde in dem Programm AMESim der Firma IMAGINE (Frankreich) ein Dieselmotormodell verwendet. Dieses Modell, das nicht umgekehrt werden kann, dient als Bezug zur Validierung des erfindungsgemäßen Modells.
AMESim ist ein Programm zur OD-Modellierung, welches insbesondere gut an thermische und hydraulische Phänomene angepasst ist. Es ermöglicht insbesondere die Modellierung von Volumina, Leitungen oder Sperren.
Dieses Abgasmodell umfasst:

– die Abgasansaugrohre, die durch ein Volumen und einen Schlauch dargestellt sind;
– den Abgassammler mit Wärmetauscher;
– die Turbine und das Bypassventil;
– ein Volumen am Zusammenfluss der Turbinen- und Ventildurchsätze;
– einen Schlauch zwischen der Turbine und der Messsonde;
– ein Volumen und einen Schlauch für die Abgasleitung.

Die grundlegenden Blöcke der Modellierung der Schläuche, Sperren und Volumina werden in dem Benutzerhandbuch AMESim "Thermal Pneumatic Library" beschrieben. Zum Berechnen eines Durchsatzes durch eine Sperre und die Umwandlung von Energie und Masse werden Standardgleichungen verwendet. Außerdem berücksichtigt das Modell die Trägheitsmomente der Gase, was für die Untersuchung der Verbrennungsdynamik der Gase von Belang ist.
Da es sich bei diesem Modell um ein OD-Modell handelt, wird die Dimension Zeit nicht berücksichtigt und es ist nicht möglich, mit einem physikalischen Ansatz eine Verzögerungszeit zu modellieren. Wenn eine Eingabevariable geändert wird, wir die Ausgabe direkt verändert. Die Transportzeit wird somit nicht berücksichtigt. Diese Einschränkung ist wichtig, da versucht wird, an einer Erfassung in Echtzeit zu arbeiten.
Gemäß der Erfindung wird ein physikalisches Modell in Echtzeit definiert, das für die Modellierung des Gesamtsystems einzigartig ist, das heißt die Gesamtheit des Durchlaufs der Abgase von den Zylindern bis zum Abströmen stromabwärts der Turbinen nach Durchlaufen des Sammlers.
I-DEFINITION EINES PHYSIKALISCHEN ECHTZEITMODELLS
In der vorliegenden Ausführungsform wird davon ausgegangen, dass die Temperaturschwankung in einem Motorzyklus gering ist und dass ihre Wirkung auf Schwankungen des Durchsatzes beschränkt ist. Dies sind Schwankungen des Drucks, die in dem Prozess wichtig sind, da sie direkt mit dem Durchsatz verknüpft sind. Es wird daher eine feste Temperatur für jedes Element festgelegt: Zylinder, Sammler und Turbine. Der Wärmetausch wird somit nicht mehr modelliert. Diese Vereinfachungshypothese weist keine große Wirkung auf.
In einem ersten Ansatz werden zwei Gase betrachtet: Frischluft und Verbrennungsgase. Die herkömmlichen Gleichungen beschreiben die Entwicklung der Gesamtmasse der Gase in den Volumina und der Frischluftmasse. Die Verbrennungsgase können dann davon abgezogen werden. Diese Vorgehensweise gilt in dem Fall eines Betriebs mit einem mageren Gemisch, aber ähnliche Gleichungen können für den Kraftstoff und die Verbrennungsgase im Fall eines reichen Gemischs erstellt werden.
A) Physisches Modell des Abgassammlers:
Der Abgassammler wird gemäß einem Volumen modelliert, in dem es eine Konservierung der Masse gibt. Es wird eine im Wesentlichen konstante Temperatur angenommen und ausgehend von einer Abakusfunktion der Last und Motordrehzahl bestimmt.
Erfindungsgemäß wird das gemessene Verhältnis mit der Luftmasse, die sich um die Sonde befindet, und der Gesamtmasse verbunden. Somit drückt die Konservierung der Gesamtmasse in dem Sammler die Tatsache aus, dass die Abgasmasse in dem Sammler gleich der in den Sammler eintretenden Abgasmasse ist (Durchsatz aus den Zylindern), verringert um die aus dem Sammler austretende Masse. Es wird angenommen, dass die Zusammensetzung des Durchsatzes in der Turbine dieselbe wie die am Ausgang des Sammlers ist. Somit ist die aus dem Sammler austretende Masse gleich dem die Turbine durchlaufenden Durchsatz. Somit erhält man die folgende Formel für die Gesamtmasse:
wobei:

N_a:: Motordrehzahl,
α:: Winkel der Kurbelwelle,
M_T:: Gesamtmasse in dem Abgassammler,
d_i:: aus dem Zylinder i austretender Massedurchsatz,
d_T:: die Turbine durchlaufender Gesamtdurchsatz

Das gleiche gilt für die Konservierung der Luftmasse:
wobei:

N_a:: Motordrehzahl,
α:: Winkel der Kurbelwelle,
M_air:: Gesamtfrischluftmasse in dem Abgassammler,
λ_i:: Verhältnis in einem der Zylinder,
d_i:: aus dem Zylinder i austretender Massedurchsatz,
d_air:: die Turbine durchlaufender Gesamtluftdurchsatz

Nun werden physikalische Modelle beschreiben, die die Bestimmung des Durchsatzes am Ausgang der Zylinder und der die Turbine durchlaufenden Durchsätze gestatten.
Modell, das die Bestimmung des Durchsatzes am Ausgang der Zylinder gestattet: Gasausstoß
Der Ausgangsdurchsatz der Gase am Ausgang der Zylinder kann mit einem physikalischen Modell modelliert werden, das den Durchsatz am Ausgang der Auslassventile beschreibt. Für dieses Modell des Gasausstoßes durch die
Ventile werden drei Variablen verwendet:

– der Winkel der Kurbelwelle (α);
– der durch den Zylinder da angesaugte Durchsatz (wobei diese Variable stromaufwärts von der Motorsteuerung geschätzt wird);
– Durchschnittswert des von der Sonde λ gemessenen Verhältnisses.

Der durchschnittlich austretende Durchsatz ist aus dem angesaugten Durchsatz und dem Durchsatz des eingespritzten Benzins bekannt. Der Wert des austretenden Durchsatzes basiert auf einem von dem angesaugten Durchsatz abhängigen Parameter. Dieser Parameter ist ein physikalisches Modell (eine Kurve), die auf einem empirischen Gesetz beruht, welches die Schätzung eines durchschnittlichen Durchsatzes für einen Zylinder in Abhängigkeit von dem Winkel der Kurbelwelle ausgehend von dem Motordrehmoment, dem Winkel der Kurbelwelle, dem von dem Zylinder angesaugten Durchsatz und des Durchschnittswerts des von der Sonde in einem Zyklus gemessenen Verhältnisses, ermöglicht. Die einzige Einschränkung dieses physikalischen Gesetzes ist de Berücksichtigung des durchschnittlich austretenden Durchsatzes (Flächenmaß der Kurve) und die Bereitstellung einer Kurve, die die beiden folgenden Phänomene berücksichtigt:

– Druckgleichgewicht des Zylinders/des Abgases, das sich in einer Durchsatzspitze in Abhängigkeit von dem Winkel der Kurbelwelle ausdrückt;
– Durchsatz, der auf dem effektiven Querschnitt des Auslassventils beruht, welcher sich in einer zweiten Durchsatzspitze mit schwächerer Amplitude ausdrückt.

Dieser Parameter (d) stellt am Ausgang ein Tempo (Kurve) des Massendurchsatzes am Ausgang der Auslassventile d_i bereit, das heißt eine gemeinsame Schätzung (d) des Durchsatzes für alle Zylinder. Er wird in Korrelation mit den Messungen des Motors erhalten. In Abhängigkeit von dem angesaugten Durchsatz und dem von der Sonde λ gemessenen durchschnittlichen Verhältnis, wird dann eine Homothetie des Parameters bewirkt und es wird eine Phasenverschiebung für jeden Zylinder in Abhängigkeit von dem Winkel der Kurbelwelle bewirkt, um den Gasauslassdurchsatz am Ausgang jedes Zylinders abzuleiten: di(α) = d(αi + α)·α0 wobei:

d_i(α):: der Gasauslassdurchsatz am Ausgang des Zylinders i ist;
d(α):: der Parameter, d. h. eine Schätzung des Durchsatzes am Ausgang der Zylinder ist;
α_i:: der Winkel der Phasenverschiebung für den Zylinder i ist.

Die Phasenverschiebung der Kurve des Parameters kann in 1 schematisch beobachtet werden (DS1 bis DS4).
Nun werden physikalische Modelle beschrieben, die die Bestimmung des die Turbine durchlaufenden Durchsatzes ermöglichen:
Modell, das die Bestimmung des die Turbine durchlaufenden Durchsatzes ermöglicht: Turbinenmodell
Die Turbine wird gemäß einem eine Durchsatzsperre durchlaufenden Durchsatz modelliert. Der Durchsatz in der Turbine wird allgemein durch die Kartographie (Abakus) in Abhängigkeit von der Motordrehzahl und dem Druckverhältnis stromaufwärts/stromabwärts der Turbine bestimmt.
Der die Turbine durchlaufende Durchsatz d_r ist eine Funktion der Gesamtmasse (M_r) in dem Abgassammler, der Temperatur in dem Abgassammler, der Drehzahl des Turbokompressors und der Geometrie des Turbokompressors. Die Eingabedaten dieses Modells sind somit:

– die Gesamtmasse der Abgase (M_r);
– die Luftmasse (M_air);
– die Motordrehzahl (N_c);
– die Turbinendrehzahl (des Turbokompressors).

Dieser Durchsatz kann ausgehend von einer konkaven Funktion der Gesamtmasse M_T geschätzt werden. Diese Funktion wird mit p bezeichnet. Der Durchsatz in der Turbine wird also wie folgt geschrieben: dτ(Mτ) = Mτ·p(Mτ).
Die Funktion p ist eine Wurzelfunktion, die sich in Abhängigkeit von einem Teil der Motordrehzahl ausdrückt und andererseits in Abhängigkeit von dem Verhältnis zwischen der Gesamtmasse in dem Abgassammler (M_r) und der Masse in dem Sammler unter Umgebungsbedingungen (M₀). Somit ergibt die Kartographie p(M_r) in Abhängigkeit von dem Verhältnis M_r/M₀ und von der Turbinendrehzahl (des Turbokompressors). Die von dieser Kartographie verwendete Formel ist wie folgt:
wobei

f: eine Polynomialfunktion ist,
g: eine Konstante ist.

Die Parameter der Funktion f sind durch eine Korrelation mit der Kartographie der Turbine optimiert.
Es wird ferner angenommen, dass die Zusammensetzung in der Luft dieselbe ist wie im Abgassammler. der die Turbine durchlaufende Durchsatz ist somit:
Somit ergeben sich mit Hilfe der physikalischen Modelle des Gasausstoßes und der Turbine die folgenden Gleichungen (1) und (2) wie folgt:
Dieses Gleichungssystem (3) stellt das physikalische Modell des Abgassammlers dar.
Die Eingabedaten dieses Modells lauten:

N_a:: Motordrehzahl,
α:: Winkel der Kurbelwelle,
d_i:: aus dem Zylinder i austretender Massedurchsatz,
d_τ:: die Turbine durchlaufender Gesamtdurchsatz
d_air:: die Turbine durchlaufender Gesamtluftdurchsatz
λ_i:: Verhältnis in jedem der Zylinder.

Die Unbekannten in dem System lauten:

M_τ:: Gesamtmasse in dem Abgassammler,
M_air:: Gesamtfrischluftmasse in dem Abgassammler.

Die erste Gleichung enthält eine Unbekannte: M_r. Die zweite Gleichung enthält zwei Unbekannte: M_air und λ_i. Dies führt zu den folgenden Ergänzungshypothesen.
B) Hypothese zu den Ausgangsverhältnissen der Zylinder:
Zur Vervollständigung des physikalischen Modells in Echtzeit (RTM) des Abgassammlers wird angenommen, dass die Ausgangsverhältnisse der Zylinder in einem Betriebspunkt konstant sind, und man erhält somit:
Die Berechnung erfolgt in Echtzeit, die Konstanten λ_i werden geschätzt.
C) Ausdruck des physikalischen Echtzeitmodells
Schließlich kann das physikalische Echtzeitmodell RTM in die folgende Form gebracht werden:
Die Unbekannten des physikalischen Modells sind am Ende M_r, M_air und λ_i.
Die Ausgabedaten des physikalischen Modells sind M_r und d_i.
D) Verzögerungszeit des Ausstoßes
Die Verzögerungszeiten, die von dem Gastransport in den Ansaugschläuchen und den verschiedenen Volumina herrühren, sowie der "Leerlauf"-Zeit der Messsonde werden in dem oben beschriebenen physikalischen Modell (Gleichungssystem 5) nicht berücksichtigt. Das Modell wurde jedoch auf lineare Weise hinsichtlich dieser Verzögerungen aufgebaut, da der Transport in den Ansaugschläuchen nicht vernachlässigt wird. Die Verzögerungen können auch in eine einzige Verzögerungszeit für den gesamten Abgasprozess kompiliert werden und das physikalische Modell kann so umgekehrt werden, dass der Einfluss der Verzögerungszeit schließlich, wie im Folgenden erläutert, berücksichtigt werden kann.
II. VERHÄLTNISSCHÄTZER:
Das physikalische Modell (5) beschreibt oben, dass das Verhältnis stromaufwärts von der Turbine (das als identisch zu dem Verhältnis in dem Sammler angesehen wird) als eine Funktion der Zusammensetzung des Gasdurchsatzes am Eingang des Abgassammlers ausgedrückt wird.
Die gemessenen Daten sind:

– von der Sonde gemessenes Verhältnis: λ

Die anderen bekannten Daten des Systems sind:

– Motordrehzahl: N
– Winkel der Kurbelwelle: α
– Turbinendrehzahl (des Turbokompressors)
– von dem Zylinder angesaugter Durchsatz

Die modellierten Daten des Systems sind:

– aus dem Zylinder i austretender Massendurchsatz: d_i
– die Turbine durchlaufender Gesamtdurchsatz: d_r
– die Turbine durchlaufender Luftdurchsatz: d_air
– Gesamtmasse in dem Abgassammler: M_T

Die Unbekannten sind somit:

– Verhältnisse in jedem der vier Zylinder: λ
– Frischluftmasse in dem Abgassammler: M_air

Das physikalische Modell (5) ist nichtlinear und es ist nicht möglich, ein solches System in Echtzeit zu lösen. Es muss daher ein Schätzer verwendet werde, anstatt zu versuchen, die Unbekannten des Systems direkt zu berechnen. Die Auswahl des erfindungsgemäßen Schätzers beruht auf der Tatsache, dass die Systemstruktur in Abhängigkeit von den Verhältnissen in den Zylindern λ₁ linear ist (die Massenabweichung der Luft ist linear in Abhängigkeit von den λ₁). In diesem Rahmen besteht eine besonders gut angepasste Technik in der Verwendung eines adaptiven Filters. Zum Schätzen der Unbekannten aus dem physikalischen RTM-Modell schlägt das erfindungsgemäße Verfahren den Aufbau eines Schätzers vor, der auf einem adaptiven Filter beruht. Dieser Schätzer ermöglicht schließlich eine zylinderweise Abschätzung des Verhältnisses ausgehend von der Messung des Verhältnisses durch den hinter der Turbine angeordneten Sensor.
Allgemein sind adaptive Filter Systeme, die auf verrauschten Daten beruhen, um eine zu einem bestimmten Zeitpunkt t nützliche Information zu erhalten, wobei diese Systeme in drei Konfigurationen ausgeführt sind:

– Filtern, das heißt die Extraktion der nützlichen Information zum Zeitpunkt t ausgehend von den gemessenen verrauschten Daten bis einschließlich zum Zeitpunkt t;
– Glättung, wobei auch die nach dem Zeitpunkt t liegenden Daten verwendet werden;
– Vorhersage, die sich nur der Daten bis zum Zeitpunkt t-T bedient, um die Information abzuleiten, die im Zeitpunkt t interessant ist.

In unserem Fall besteht das Ziel darin, ausgehend von zwei als Messungen y₁ = M_r und y₂ = λ angesehenen Elementen die folgenden Daten zu konstruieren:

M_r:: Gesamtmasse in dem Abgassammler
M_air:: Frischluftmasse in dem Abgassammler
λ₁:: Verhältnis in jedem der Zylinder.

Die gemessenen oder modellierten Eingabeparameter des Schätzers sind somit:
λ wird von der Sonde gemessen und Mr wird ausgehend von dem RTM-Modell (5) geschätzt.
Wenn:

M ⌢_r:: Schätzer der Gesamtmasse in dem Abgassammler
M ⌢_air:: Schätzer der Frischluftmasse in dem Abgassammler
λ_i:: Schätzer des Verhältnisses jedes der Zylinder,

Es handelt sich anders ausgedrückt um das RTM-Modell (5), in dem ein Korrekturterm für jeden zu schätzenden Parameter angewendet wird: C_MT, C_Mair, C_λ1.
Es handelt sich anders ausgedrückt um das RTM-Modell (5), in dem ein Korrekturterm für jeden zu schätzenden Parameter angewendet wird: C_MT, C_Mair, C_λ1.
Das Prinzip des Schätzers besteht darin, das physikalische Modell (5) und in der Folge die Verhältnisse λ₁ zur Wirklichkeit konvergieren zu lassen. Das Modell (5) liefert als Ausgabe M_r und M_air und dadurch erhält man auch die Eingabeparameter Y. Der Schätzer vergleicht die Ausgangswerte des RTM-Modells mit den Eingabewerten und bewirkt in der Folge die angemessenen Korrekturen. Dei Verhältnisse λ₁ müssen beispielsweise an die Fehlerfunktion auf M_T und λ anpassen: wenn der Fehler zwischen den Eingabewerten M_T und λ und den entsprechenden Schätzwerten M _T und λ negativ ist, müssen die Schätzwerte erhöht werden und umgekehrt. Daher schreibt man:
Indem dasselbe Prinzip für die Korrekturen von M_T und M_air angewendet wird, erhält man:
wobei L₁, L₂, L₃ die Einstellparameter sind, die die Steuerung der Konvergenzgeschwindigkeit der Lösung zu den drei Unbekannten ermöglicht. Dies sind reelle und strikt positive Parameter. Diese Parameter werden manuell eingestellt, um einen guten Kompromiss zwischen der Konvergenzgeschwindigkeit und der schwachen Empfindlichkeit gegenüber dem Messrauschen zu erhalten.
Durch Verwendung der Gleichung des zuvor beschriebenen Verhältnisses, kann das gemessene Verhältnis ausgehend von M_T und M_air geschätzt werden:
Daraus wird abgeleitet: M_air = (1 – λ)M_Y
Bei Verwendung der Bezeichnungen y₁ = M_r und y₁ = λ wird der Schätzer des physikalischen RTM-Modells basierend auf dem adaptiven Filter und der Schätzung des Verhältnisses ausgehend von M_T und M_air somit wie folgt geschrieben:
wobei δ_r = 1
Der so konstruierte Schätzer ermöglicht somit die Echtzeitkorrektur von M_T, M_air und λ, ausgehend von einem ersten Wert von M_Y, der von dem RTM-Modell geliefert wird, und ausgehend von der Messung des Verhältnisses, die durch die Sonde erfolgt.
Das System (u) wird digital in Echtzeit gelöst, wobei der Berechner eine dem Fachmann wohlbekannte Eulersche Diskretisierung verwendet.
Simulationsergebnisse: Test des Schätzers (8)
Ausgehend von bekannten individuellen Verhältnissen wird durch die Modellierung des Bezugs AMESim ein Verhältnis von der Sonde geschätzt (λ). Dieser Verhältniswert (λ) wird als Eingabe in den Schätzer verwendet. Die Dynamik der Sonde wurde nicht berücksichtigt. Die Ungleichmäßigkeiten der Einspritzung werden angewendet und die Schätzung des Verhältnisses wird zylinderweise beobachtet (λ₁), ausgehend von dem Verhältnis hinter der Turbine (λ).
Für die Simulation werden die vier Zylinder nacheinander aus dem Gleichgewicht gebracht, indem 80 μm und mehr eingespritzt werden, dann wird der Zylinder 1 und 4 auf dieselbe Weise behandelt. 2A und 2B zeigen unten die Bezugsverhältnisse (λref1 ), die in Abhängigkeit von der Zeit (T) von AMESim gegeben werden, und oben die Ergebnisse des Schätzers (λ ₁) in Abhängigkeit von der Zeit (T). Die vier Kurven entsprechen jedem der vier Zylinder. Die Leistung des auf dem adaptiven Filter beruhenden Schätzers ist sehr gut. Es ist jedoch eine leichte Phasenverschiebung erkennbar, die an der Trägheit des Gases liegt, welche in dem vorliegenden Modell nicht berücksichtigt wird. Es wird daher vorgeschlagen, das Modell und den Schätzer durch einen Schätzer der Verzögerungszeit des Ausstoßes zu vervollständigen.
Schätzer der Verzögerungszeit des Ausstoßes
Der wie oben beschrieben implementierte Schätzer ermöglicht dem Schätzverfahren nicht, die Verzögerungszeit zwischen dem Zylinderausstoß und dem von der Sonde erhaltenen Signal zu berücksichtigen. In Wirklichkeit rührt die Verzögerungszeit von mehreren Quellen her: der Transportzeit in den Ansaugschläuchen und über die Volumina, der Leerlaufzeit der Messsonde.
Durch Anlegen einer Verzögerungszeit D am Eingang des Schätzers auf die von dem Modell kommenden Variablen kann man den Schätzer auf die Messungen des Verhältnisses synchronisieren. Die Struktur des Schätzers mit Verzögerung wird in 3 dargestellt, in der:

– N_e und α die Eingabedaten des durch Gleichung (5) beschriebenen RTM-Modells sind;
– MMBO das Modell der offenen Masseschleife ist (RTM-Modell);
– D die auf die Ausgabevariablen des RTM-Modells (MMBO) angelegte Verzögerung ist, wobei diese Verzögerung sich aus Gleichung (9) ergibt;
– SR die Messsonde zur Messung des Verhältnisses stromabwärts der Turbine ist, die in dem Schätzer über Gleichung (7) verwendet wird;
– ERFA der Schätzer des Verhältnisses basierend auf einem adaptiven Filter ist und durch Gleichung (8) beschreiben wird;
– λ₁ das Verhältnis des Zylinders i ist, das durch ERFA geschätzt wird.

Die Verzögerungszeit hängt von den Betriebsbedingungen ab: die Motorgeschwindigkeit, Last, Druck am Abgassammler usw. Da die Verzögerung schwierig zu modellieren ist, ist ein Identifikationsverfahren entwickelt worden, mit dem die Verzögerung zwischen dem Schätzer und den Messungen in Echtzeit berechnet wird, ohne Zusatzvorrichtungen zu erfordern. Das Prinzip besteht in der Anwendung einer kleinen Skala in der Nähe des Einspritzpunktes von Zylinder 1 und im Berechnen der geschätzten Schwankungen des Verhältnisses für jeden der Zylinder. Dann wird ein Identifikationskriterium J_h so konstruiert, dass die Variationen der Zylinder 2, 3 und 4 bestraft werden.
wobei:
Die Bestrafung wird mit β gegeben. Wenn es eine positive Abweichung des Wertes des geschätzten Verhältnisses für den Zylinder 2 gibt, ist auch die Verzögerungszeit zwischen dem Schätzer und der Messung positiv. Wenn es eine Abweichung an Zylinder 3 gibt, ist die Verzögerung negativ und die Bestrafung ist negativ. Eine Abweichung an Zylinder 4 kann als eine Folge einer positiven oder negativen Verzögerung angesehen werden. Die Verzögerung D, die an die Ausgangsvariablen des RTM-Modells angelegt wird, ist eine additive Verzögerung und wird mit dem kleinsten Quadrat berechnet, wodurch J_k minimiert wird.
Das Kriterium J_k wird durch eine Steuerung PI (Proportionales Integral) auf die Verzögerung des Schätzers zu Null gesteuert. Wenn die Steuerung stabilisiert ist, wird die Abweichung des geschätzten Verhältnisses an Zylinder 1 maximal und minimal an Zylinder 4. Der Schätzer befindet sich somit in Phase mit den Messungen.
Ergebnisse:
4A und 4B veranschaulichen die zylinderweise Schätzung des Verhältnisses durch den zuvor beschriebenen Schätzer bei einer durchschnittlichen Last von 1500 tr/min. Diese Figuren zeigen oben die Bezugsverhältnisse (λrefi ) in Abhängigkeit von der Zeit (T) und unten die Ergebnisse des Schätzers (λ _T) in Abhängigkeit von der Zeit (T). Die vier Kurven entsprechen jedem der vier Zylinder.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abschätzung, umfassend die Konstruktion eines Schätzers, der ausgehend von der Messung des Verhältnisses durch die Sonde (λ) und der Information der Gesamtgasmasse im Inneren des Sammlers (M_r) die Schätzung der Verhältnisse am Ausgang der vier Zylinder (λ₁) ermöglicht. Der so ausgeführte Schätzer ist leistungsstark und erfordert vor allem keinerlei zusätzliche Einstellung im Fall einer Änderung der Betriebsstelle. Eine Identifikationsphase ist nicht erforderlich, lediglich eine Regulierung des Messrauschens und des Modells muss vorgenommen werden, und zwar ein einziges Mal.
Um die erfindungsgemäße Abschätzung robuster und unabhängiger von den Betriebsbedingungen zu machen, wird parallel zu dem Schätzer eine Verzögerungszeitsteuerung eingesetzt, die die Rückstellung der Verzögerungszeit in Folge einer Zeitskala bei der Einspritzung in den Zylinder ermöglicht. Dies ermöglicht eine optimale Ausrichtung des Schätzers, beispielsweise vor einer Phase mit einem Verhältnis von 1.
Die Erfindung ermöglicht außerdem eine Messung alle 6° der Umdrehung der Kurbelwelle und das Erhalten einer hohen Informationsfrequenz der Messung des Verhältnisses, ohne jedoch in Messrauschen zu verfallen. Außerdem ermöglicht die hochfrequente Darstellung die Berücksichtung des Pulseffekts des Systems. Das modellierte System ist periodisch und ermöglicht den Erhalt eines Schätzers mit einer besseren Dynamik: die Pulsierung des Ausstoßes wird vorweggenommen.
Außerdem ermöglicht die Erfindung die Verringerung der Berechnungszeit um einen Faktor von ungefähr 80 im Vergleich zu Verfahren aus dem Stand der Technik.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abschätzung des Kraftstoffverhältnisses in jedem der Zylinder einer Brennstoffmaschine, umfassend einen Abgaskreislauf, in dem ein Messfühler das Kraftstoffverhältnis des Abgases misst. En auf einem nichtlinearen adaptiven Filter basierender Schätzer ist mit einem physikalischen Modell gekoppelt, das den Ausstoß von Gasen aus den Zylindern und ihren Durchlauf durch den Abgaskreislauf bis zum Messfühler darstellt. Der Schätzer ist ebenfalls mit einer Abschätzung des Kraftstoffverhältnisses gekoppelt, ausgehend von mindestens einer Variablen des Modells, wie der Gesamtabgasmasse und der Frischluftmasse.

Anwendung auf Motorsteuerungen.

Claims

Verfahren zur Abschätzung des Kraftstoffverhältnisses in jedem der Zylinder einer Brennkraftmaschine, umfassend einen Abgaskreislauf, der mindestens Zylinder umfasst, die mit einem Sammler und einem Messfühler für das Kraftstoffverhältnis stromabwärts des Sammlers (λ) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst: – von dem Gasdurchlauf in dem Abgaskreislauf bis zum Messfühler wird ein physikalisches Modell in Echtzeit erstellt, umfassend: – ein physikalisches Modell des Abgassammlers; – ein physikalisches Modell des eine Turbine durchlaufenden Durchsatzes; – ein Modell der Verzögerungszeit des Abgases bis zum Messfühler; – es wird eine Abschätzung des Kraftstoffverhältnisses (λ) definiert, welches von dem Messfühler gemessen wurde, ausgehend von mindestens einer Variablen des Modells; – das Modell wird mit einem nichtlinearen adaptiven Schätzer gekoppelt, in dem die Abschätzung der Messung des gemessenen Kraftstoffverhältnisses berücksichtigt wird; – es erfolgt eine Abschätzung in Echtzeit des Wertes des Kraftstoffverhältnisses in jedem der Zylinder, ausgehend von dem nichtlinearen adaptiven Schätzer.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Verzögerungszeit ausgewertet wird, die durch die Durchlaufzeit des Gases und durch die Reaktionszeit des Messfühlers begründet ist, indem in einem gegebenen Zylinder ein Störungstest durchgeführt und seine Wirkung auf den Messfühler gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das physikalische Modell mindestens die drei folgenden Variablenarten umfasst: die Gesamtgasmasse in dem Abgassammler (M_T), die Frischluftmasse in dem Abgassammler (M_air) und die Kraftstoffverhältnisse in jedem der Zylinder (λ_I).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das physikalische Modell mindestens die beiden folgenden Datenausgabearten umfasst: die Gesamtgasmasse in dem Abgassammler (M_Y) und die aus den Zylindern austretenden Massedurchsätze (d_i).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das gemessene Kraftstoffverhältnis (λ) in Abhängigkeit von der Gesamtgasmasse in dem Abgassammler (M_T) und der Frischluftmasse in dem Abgassammler (M_air) abgeschätzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Abschätzung des Werts des Kraftstoffverhältnisses in jedem der Zylinder eine Korrektur in Echtzeit der Abschätzung der Gesamtgasmasse in dem Abgassammler (M_T), der Abschätzung der Frischluftmasse in dem Abgassammler (M_air) und der Abschätzung des Werts des Kraftstoffverhältnisses in jedem der Zylinder (λ_I) umfasst.
Anwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche auf eine Motorsteuerung zum Anpassen der in jeden der Zylinder eingespritzten Kraftstoffmassen, um das Kraftstoffverhältnis in jedem der Zylinder zu regulieren.