EP0894187B1

EP0894187B1 - Verfahren zur modellgestützten instationärsteuerung einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: EP0894187B1
Application number: EP97920567A
Authority: EP
Inventors: Stefan Treinies; Gerd RÖSEL; Maximilian Engl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1996-04-16
Filing date: 1997-04-01
Publication date: 1999-09-01
Anticipated expiration: 2017-04-01
Also published as: DE59700397D1; EP0894187A1; WO1997039234A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur modellgestützten Instationärsteuerung zur Kompensation der Wandfilmeffekte im Saugrohr einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 (vergleiche mit SAE-PAPER 95 04 79).

Bei der Realisierung eines geforderten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses im Zylinder einer nach dem Otto-Prinzip arbeitenden Brennkraftmaschine mit Saugrohreinspritzung ist im Instationärbetrieb neben anderen Effekten das dynamische Verhalten von Kraftstoffanlagerungen an den Wänden des Saugrohres zu berücksichtigen. Es ist bekannt, daß eine Kompensation der durch diesen Wandfilm verursachten dynamischen Gemischfehler durch den Einsatz nichtlinearer Modelle möglich ist. Diese Modelle kompensieren die Kraftstoffanlagerungen im Wandfilm, indem sie das zum Wandfilm inverse dynamische Verhalten besitzen. In Abhängigkeit vom Lastsignal des Motors oder adäquater Größen wird der Wert der zu dosierenden Kraftstoffmasse so korrigiert, daß der im Wandfilm gespeicherte Kraftstoff bei der Berechnung der aktuellen Einspritzzeit berücksichtigt wird. Dadurch ergeben sich für eine Lasterhöung/ Lastreduzierung Anreicherungen durch Mehr-/Mindermassen gegenüber den Werten der aus dem Lastsignal berechneten Massen des zu dosierenden Kraftstoffes.

Bisherige Ansätze benutzen das nichtlineare Kompensationsmodell im gesteuerten Betrieb. Die Modellparameter werden von zahlreichen meßbaren Einflußgrößen, wie z.B. der Drehzahl oder der Temperatur des Kraftstoffes abhängig gewählt und in Kennfeldern gespeichert. Einflüsse auf das Wandfilmverhalten, die durch eine veränderte Zusammensetzung des Kraftstoffes, fertigungsbedingte Toleranzen der einzelnen Motoren oder alterungsbdingte Veränderungen an der Brennkraftmaschine hervorgerufen werden, können somit nicht erfaßt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur modellgestützten Instationärsteuerung einer Brennkraftmaschine anzugeben, mit dem Einflüsse auf das Wandfilmverhalten bei der Berechnung der Kraftstoffzumessung berücksichtigt werden so daß dynamische Gemischfehler auch unter veränderten Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine kompensiert werden können.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine Adaption der Modellparameter eines Wandfilmkompensationsmodells und dadurch eine Minimierung der dynamischen Gemischfehler der Brennkraftmaschine während des Fahrbetriebes. Auf der Basis des Ausgangssignals mindestens einer, eine breitbandige Sensorcharakteristik aufweisende Lambdasonde, einer sogenannten stetigen, insbesonderen linearen Sonde, werden die im Rahmen einer Grundapplikation applizierten Modellparameter so korrigiert, daß die dynamischen Abweichungen des Lambda-Signals von einem geforderten Wert, zB. λ = 1, d.h. für Lastgrößenänderungen durch Betriebszustandswechsel, bestmöglich reduziert werden. Der permanente Betrieb der Parameteradaption bei gleichzeitigem Einsatz der Lambdaregelung ist durch eine Entkoppelung zwischen Parameteradaption und Lambdaregelung gewährleistet. Dies hat den Vorteil, daß während der Adaption die Lambdaregelung weiterlaufen kann; sie reduziert die stationären Gemischabweichungen, während durch die Parameteradaption dynamische Gemischfehler minimiert werden.

Aus der US-A-5 239 974 ist eine Stationärsteuerung für eine Brennkraftmaschine auf der Basis eines Wandfilmmodells mit vorgegebenen Parametern im Wandfilmmodell bekannt. Ein ausgewählter Parameter wird auf Grund der dynamischen Abweichung eines Lambda Istwertes von einem Lambda-Sollwert adaptiert, um die dynamischen Fehler zu verringern. Als Lambdasonde, deren Meßwerte in diesem Prozeß benutzt werden, ist eine Breitbandsonde vorgesehen. Durch Bestimmung einer Grundeinspritzmenge, sowie eines Übergangs-Kombensationssignals wird eine adaptive Anpassung an Langzeitänderungen erreicht.

Für die folgenden Darlegungen wird ein bekanntes Modell (Achleitner E., Hosp W., Koch A., Schürz W.: Electronic Engine Control System for Gasoline Engines for LEV and ULEV Standards, SAE-Paper:950479, 1995) zur Kompensation der WandfilmEffekte zugrunde gelegt. Dieses Modell gestattet die Berücksichtigung von Verdampfungs- und Transportvorgängen des Kraftstoffes, der sich im Saugrohr der Brennkraftmaschine als Wandfilm angelagert hat. Der Ansatz bildet somit die Grundlage zur Kompensation der wesentlichen Effekte, die durch Kraftstoffanlagerungen an der Saugrohrwand hervorgerufen werden.

Aus der Figur ist die Struktur der Funktion zur Kompensation der Wandfilmeffekte einschließlich der Parameterschätzung anhand einer Blockdarstellung ersichtlich, die aus zwei parallelen Kraftstoffpfaden PF1, PF2 besteht, die strukturell gleichartiges dynamisches Verhalten aufweisen.

Die Blöcke SS11 und SS21 repräsentieren statische Nichtlinearitäten der Pfade PF1 bzw. PF2, deren Verstärkung im gesteuerten Betrieb durch die Werte der Grundapplikation, nämlich durch die Verstärkungsfaktoren F₁₁ bzw. F₂₁ bestimmt wird. Diese Verstärkungsfaktoren sind im wesentlichen Funktionen der Drehzahl und Parametern, welche die Ventilstellung bzw. die Ventilüberschneidung repräsentieren.

Jedem der Blöcke SS11, SS21 wird als Eingangsgröße des Kompensationsmodells ein der Lastgröße L der Brennkraftmaschine entsprechendes Signal (Einspritzzeit, Luftmassenstrom in den Zylinder, Saugrohrdruck) zugeführt.

Den statische Nichtlinearitäten darstellenden Blöcken SS11, SS21 sind dynamisch nichtlineare Systeme mit differenzierend-verzögerndem Verhalten (Blöcke DS11 und DS21) nachgeschaltet. Das Verzögerungsverhalten dieser Glieder wird durch die Parameter der Grundapplikation f _T11 bzw. f _T21 bestimmt. Für die weiteren Überlegungen soll die Annahme fT 11 > f T21 gelten, d.h. die im Pfad PF2 realisierte Anreicherung klingt schneller ab, als diejenige im Pfad PF1. Dies bedeutet, daß der Pfad PF2 gegenüber dem Pfad PF1 eine höhere Dynamik aufweist.

Um die korrekte Parameterschätzung auch bei stationären Gemischfehlern zu gestatten, wie sie z.B. im Vollastbetrieb auftreten können, wird der mittels der Lambdasonde ermittelte Lambdawert λ, im folgenden vereinfacht als Lambdasignal bezeichnet, durch ein System mit dem dynamischen (differenzierend-verzögerndem) Verhalten fT 3·λ ν+λν = λ gefiltert (Block DS3),
wobei f_T3 ein applizierbarer Filterfaktor ist, der drehzahlabhängig aus einem Kennfeld ausgelesen wird und λ_ν dem dynamischen Gemischfehler entspricht.

Dieser Ansatz leistet einen Beitrag zur Entkopplung von Lambdaregelung und Parameterschätzung.

Für die Auswahl der für die Adaption relevanten Modellparameter, die eine Beeinflussung der Wirkung des Kompensationsmodells mit hohen Freiheitsgraden gestatten, ergeben sich zwei wesentliche Gesichtspunkte.

Erstens muß eine Parameteradaption die Beeinflussung der für eine bestimmte Lastgrößenänderung bereitgestellten Gesamtmasse gestatten. Diese Gesamtmasse muß dem Massenzuwachs des Kraftstoffes im Wandfilm entsprechen. Vor allem durch eine veränderte Kraftstoffzusammensetzung wird die Verdampfungsrate und somit auch die im Wandfilm gespeicherte Kraftstoffmasse beeinflußt.

Zweitens verursachen die genannten Faktoren, welche die hier betrachteten Veränderungen des Wandfilmverhaltens bewirken, auch Abweichungen im zeitlichen Verlauf des Wandfilmauf- bzw. Abbaus.

Die Adaption der Modellparameter (Verstärkungsfaktoren) F₁₁ und F₂₁ ermöglicht eine Anpassung der Kompensationsfunktion unter Berücksichtigung der genannten Aspekte. Der Parameter F₁₁ legt bei der gewählten Modellstruktur die für eine Lastgrößenänderung zur Verfügung gestellte Gesamtanreicherungsmasse fest. Der Parameter F₂₁ beeinflußt den zeitlichen Verlauf der Anreicherung durch die Wahl einer Gewichtung zwischen dem Pfad mit hoher Dynamik (Pfad PF2) und dem Pfad mit geringer Dynamik (Pfad PF1). Damit ist wählbar, welcher Anteil des Eingangssignals über den Pfad mit hoher und welcher Anteil über den Pfad mit niedriger Dynamik geleitet wird, so daß eine Beeinflußung des dynamischen Verhaltens der Gesamtanreicherung ADD gegeben ist.

Somit wird das Ausgangssignal

· L des Blockes SS21 vom Ausgangssignal

. L des Blockes SS11 subtrahiert. Dadurch kann die Verstärkung des 1. Pfades PF1 verringert werden und damit ist die Möglichkeit einer Änderung der Gewichtung des Eingangssignal gegeben.

Die Adaption der statischen Verstärkungen, d.h. der Parameter der Grundapplikation F₁₁, F₂₁ der Blöcke SS11 bzw. SS21 erfolgt nach den Beziehungen

wobei die Werte F₁₁ und F₂₁ den Werten der Grundapplikationen des Kompensationsmodelles entsprechen und die Werte F₁₄ und F₂₄ die geschätzten Korrekturparameter sind. Durch den gewählten Ansatz (Gleichungen 3 und 4) bleibt das nichtlineare Verhalten, das durch die Grundapplikation festgelegt wird, erhalten.

Ziel der Schätzung der Korrekturparameter F₁₄ und F₂₄ ist die Minimierung der Gütefunktion

zum jeweils aktuellen Zeitpunkt n.

Die Differenz (λ _Soll -λ[n]) entspricht dem aktuellen dynamischen Gemischfehler, der durch die Größe λ_ν approximiert wird.

Für die Minimierung der Gütefunktion (5) nach einem Gradientenverfahren ist die Bestimmung der zeitlichen Änderung der Eingangsgröße L des Kompensationsmodells erforderlich. Unter Berücksichtigung der Totzeit T_t zwischen der Lastgröße der Brennkraftmaschine und der Messung des entsprechenden Signals der Lambdasonde erfolgt in den jeweils ein differenzierendverzögerndes Verhalten aufweisenden Blöcken DS12,DS22 die Bestimmung der Lastgrößenänderung für den Pfad PF1 bzw. den Pfad PF2 entsprechend den Gleichungen fT 12 · L ν1+ L ν1 = L f T 22 · L ν2+ L ν2 = L

Für die Dimensionierung des dynamischen Verhaltens der Systeme DS12 und DS22 müssen lediglich die Relationen fT 12 > 0.5 · T t fT 22 > 0.5 · T t f T 12 > f T 22 eingehalten werden. Eine genauere Kenntnis der Totzeit T_t, die zwischen der Kraftstoffdosierung und der Erfassung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durch die Lambdasonde liegt, als in den Relationen (8) und (9) angegeben, ist für eine konvergente Parameterschätzung, d.h. eine Angleichung des geschätzten Parameterwertes an den wahren Wert, nicht erforderlich. Die Einhaltung der Relation (10) ist auf Grund der Festlegung (1) notwendig und gewährleistet eine unabhängige Parameterschätzung für die beiden Pfade PF1 und PF2.

Ausgangsgrößen der Blöcke DS12 bzw DS22 sind die Änderungen der verzögerten Lastsignale L_ν1 bzw. L_ν2. Die eigentliche Schätzung der Adaptionsparameter erfolgt in den Blöcken DS13 und DS23 entsprechend den Gleichungen

Die Faktoren F ₁₃ bzw. F ₂₃ bestimmen die Konvergenzgeschwindigkeit des Verfahrens. Um einen günstigeren zeitlichen Verlauf der Werte der Korrekturparameter F ₁₄ und F ₂₄ zu erhalten, wird durch die Blöcke DS14 und DS24 eine Tiefpaßfilterung realisiert. Die Ausgangsgröße dieser Filter sind die Adaptionsparameter F ₁₄ bzw. F ₂₄, die zur Korrektur der Grundapplikationswerte des Kompensationsmodells entsprechend den Gleichungen (3) und (4) eingesetzt werden.

Die Ausgangsgrößen der beiden Pfade PF1 und PF2 werden summiert und das Ergebnis stellt eine Anreicherung ADD dar, welche die Kraftstoffmasse im Wandfilm darstellt und die zu der Lastgröße, in diesem Beispiel der Basiseinspritzeit T_iB addiert wird, so daß eine das Wandfilmverhalten berücksichtigende Einspritzzeit t_i zur Verfügung steht.

Da für das angegebene Verfahren die Wahl der zeitlichen Diskretisierung der Differentialgleichungen nicht entscheidend ist, erfolgte die Notation der Gleichungen in kontinuierlicher Form. Die dargestellten Prinzipien lassen sich auch auf andere Parameter des genannten Modells z.B. f_T _11, f_T ₂₁ bzw. auf andere Modelle zur Kompensation der Wandfilmeffekte anwenden, insbesondere auch auf Modelle mit nur einem Pfad.

Claims

Verfahren zur modellgestützten Instationärsteuerung einer Brennkraftmaschine, bei der wesentliche Betriebsgrößen erfaßt und daraus sowohl ein Grundeinspritzmengensignal, als auch eine dieses Grundeinspritzmengensignal beeinflussende Korrekturgröße abgeleitet wird, die das dynamische Verhalten von Kraftstoffanlagerungen an den Wänden des Saugrohres der Brennkraftmaschine mittels eines Wandfilmmodells berücksichtigt, wobei die Parameter des Wandfilmmodells abhängig von meßbaren Einflüssen durch eine Grundapplikation festgelegt werden, und ausgewählte Parameter der Grundapplikation (F₁₁,F₂₁) auf der Basis des Ausgangssignals (λ) einer im Abgastrakt der Brennkraftmaschine angeordneten breitbandigen Lambdasonde derart adaptiert werden, daß die dynamischen Abweichungen des Ausgangssignals (λ) von einem vorgegebenen Sollwert (λ_Soll) minimiert werden und das Wandfilmmodell zwei parallele Kraftstoffpfade (PF1, PF2) aufweist, die strukturell gleichartiges dynamisches Verhalten, aber unterschiedliches Verzögerungsverhalten besitzen und die Parameter der Grundapplikation (F₁₁,F₂₁) für beide Pfade (PF1, PF2) adaptiert werden
dadurch gekennzeichnet, daß
für den Pfad mit geringer Dynamik (PF1) durch einen Parameter (F₁₁) der Grundapplikation die für eine Lastgrößenänderung zur Verfügung gestellte Kraftstoffanreicherung festgelegt wird, während für den Pfad mit hoher Dynamik (PF2) durch einen Parameter (F21) der Grundapplikation der zeitliche Verlauf der Kraftstoffanreicherung durch die Wahl einer Gewichtung zwischen den beiden Pfaden (PF1,PF2) beinflußt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Eingangsgröße des Wandfilmmodells ein dem zeitlichen Verlauf der Lastgröße (L) der Brennkraftmaschine entsprechendes Signal anliegt und als Ausgangsgröße ein additiver Korrekturfaktor (ADD) für das Grundeinspritzmengensignal (t_iB) ausgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

das Ausgangssignal (λ) der Lambdasonde einer Filterung unterzogen wird (DS3) und als Ergebnis der Filterung der dynamische Gemischfehler erhalten wird,

die zeitliche Änderung der Lastgröße (L) bestimmt wird (DS12,DS22),

aus dem Produkt des dynamischen Gemischfehlers und der zeitlichen Änderung der Lastgröße (L) ein Korrekturparameter (
) bestimmt wird (DS13,DS23),

diese Korrekturparameter (
) multiplikativ mit den Parametern der Grundapplikation (F11,F21) verknüpft werden und als Ergebnis eine Korrekturgröße (ADD) für das Grundeinspritzmengensignal (t_iB) erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturparameter ( ) vor der Multiplikation mit den Parametern der Grundapplikation (F11,F21) einer Filterung unterzogen werden (DS14,DS24)
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal (λ) der Lambdasonde mittels eines, ein differenzierend-verzögerndes Verhalten aufweisendes System (DS3) nach der Beziehung fT 3 · λ ν+λν = λ gefiltert wird, wobei f_T3 eine applizierbare Filterkonstante darstellt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitliche Änderung der Lastgröße (L) mittels eines, ein differenzierend-verzögerndes Verhalten aufweisendes System (DS12,DS22) nach der Beziehung 3) nach der Beziehung fT 12· L ν1 + Lν1 = L fT 22· L ν2+L ν2 = L gefiltert wird, wobei die Faktoren f_T ₁₂,f_T ₂₂ das Verzögerungsverhalten beschreiben.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß für die Dimensionierung des dynamischen Verhaltens der Systeme (DS12,DS22) die Relationen fT 12 > 0.5 · T t fT 22 > 0.5 · T t fT 12 > fT 22 gelten, wobei mit T_t die Totzeit, die zwischen der Kraftstoffdosierung und der Erfassung des Luft-Kraftstoffverhältnisses durch die Lambdasonde liegt, bezeichnet ist.