WO1997039234A1 - Verfahren zur modellgestützten instationärsteuerung einer brennkraftmaschine - Google Patents

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Stefan Treinies
Gerd RÖSEL
Maximilian Engl
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/04—Introducing corrections for particular operating conditions
    • F02D41/047—Taking into account fuel evaporation or wall wetting

Definitions

  • the invention relates to a method for model-based stationary control for compensating the wall film effects in the intake manifold of an internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
  • model parameters are selected depending on numerous measurable influencing variables, such as the speed or the temperature of the fuel, and are stored in characteristic maps. Influences on the wall film behavior, which are caused by a changed composition of the fuel, manufacturing-related tolerances of the individual engines or all Changes caused to the internal combustion engine due to maintenance cannot therefore be detected.
  • the invention is based on the object of specifying a method for model-based unsteady-state control of an internal combustion engine, with which influences on the wall film behavior are taken into account when calculating the fuel metering, so that dynamic mixture errors can also be compensated for under changed operating conditions of the internal combustion engine.
  • the method according to the invention allows the model parameters of a wall film compensation model to be adapted and thereby the dynamic mixture errors of the internal combustion engine to be minimized during driving operation.
  • the permanent operation of the parameter adaptation with simultaneous use of the lambda control is ensured by a decoupling between parameter adaptation and lambda control. This has the advantage that the lambda control can continue to run during the adaptation; it reduces the stationary mixture deviations, while dynamic mixture errors are minimized by the parameter adaptation.
  • the figure shows the structure of the function for compensating for the wall film effects, including the parameter estimation, using a block diagram which consists of two parallel fuel paths PF1, PF2 which have structurally identical dynamic behavior.
  • the blocks SS11 and SS21 represent static non-linearities of the paths PF1 and PF2, the amplification of which in controlled operation is determined by the values of the basic application, namely by the amplification factors F ⁇ • _- • _ and F2 1 .
  • These amplification factors are essentially functions of the speed and parameters, which represent the valve position or the valve overlap.
  • a signal corresponding to the load size L of the internal combustion engine is supplied to each of the blocks SS11, SS21 as the input variable of the compensation model.
  • the blocks SS11, SS21 representing static non-linearities are followed by dynamically non-linear systems with differentiating-delaying behavior (blocks DSU and DS21).
  • the delay behavior of these elements is determined by the parameters of the basic application f ⁇ xl or f T21 . For further considerations, the assumption should
  • the lambda value ⁇ determined by means of the lambda probe is characterized by a system with the dynamic (differentiating-delaying) behavior
  • f- j -3 is an applicable filter factor that is read out from a map as a function of speed and ⁇ v corresponds to the dynamic mixture error.
  • a parameter adaptation must allow the influencing of the total mass provided for a certain change in load size. This total mass must correspond to the mass increase of the fuel in the wall film.
  • the evaporation rate, and thus also the fuel mass stored in the wall film, is influenced above all by a changed fuel composition.
  • the factors mentioned, which bring about the changes in wall film behavior considered here, also cause deviations in the time course of the wall film build-up or breakdown.
  • the adaptation of the model parameters (gain factors) F 1: L and F 2 ⁇ enables an adjustment of the compensation function taking into account the aspects mentioned.
  • the parameter F ll le 9 t - ° e: * - of the selected model structure defines the total enrichment mass made available for a change in load size.
  • the parameter F 2 ⁇ influences the time course of the enrichment by choosing a weighting between the path with high dynamics (path PF2) and the path with low dynamics (path PF1). It is thus possible to select which part of the input signal is routed via the path with high dynamics and which part via the path with low dynamics, so that the dynamic behavior of the total enrichment ADD is influenced.
  • the output signal F 2] L of the block SS21 is thus subtracted from the output signal F u L of the block SS11.
  • the gain of the 1st path PF1 can thereby be reduced and the possibility of changing the weighting of the input signal is given.
  • the aim of estimating the correction parameters F 14 and F 2 4 is to minimize the quality function
  • the difference ( ⁇ w / - ⁇ [n]) corresponds to the current dynamic mixture error, which is approximated by the quantity ⁇ v .
  • the change in load size for path PF1 or path PF2 is determined in blocks DS12, DS22, which each have a differentially delaying behavior Equations
  • the output variables of the blocks DS12 or DS22 are the changes in the delayed load signals L vl or L v2 .
  • the factors F 13 and F 23 determine the convergence speed of the method.
  • a low-pass filtering is implemented by the blocks DS14 and DS24.
  • the output variable of these filters are the adaptation parameters F 14 and F 24 , which are used to correct the basic application values of the compensation model in accordance with equations (3) and (4).
  • the outputs of the two paths PF1 and PF2 are mized sum and the result is an enrichment of ADD, wel ⁇ che the fuel mass in the wall film represents and are coded to the load size, in this example, the Basiseinspritzeit T j _ B ad ⁇ , so that an injection time t-j_ taking into account the wall film behavior is available. Since the choice of the temporal discretization of the differential equations is not critical for the specified method, the equations were notated in a continuous form. The principles shown can also be applied to other parameters of the model mentioned, for example f ⁇ xi ⁇ / ⁇ or to other models for compensating for the wall film effects, in particular also to models with only one path.

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Abstract

Ein das dynamische Verhalten von Kraftstoffanlagerungen an den Wänden des Saugrohrs nachbildendes Wandfilmmodell enthält Grundapplikationswerte, die auf der Basis des Ausgangssignals einer breitbandigen Lambdasonde derart adaptiert werden, daß die dynamischen Abweichungen dieses Ausgangssignals von einem Sollwert minimiert werden.

Description

Beschreibung
Verfahren zur modellgestützten Instationärsteuerung einer Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur modellgestützten In¬ stationärsteuerung zur Kompensation der Wandfilmeffekte im Saugrohr einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Bei der Realisierung eines geforderten Luft-Kraftstoff-Ver¬ hältnisses im Zylinder einer nach dem Otto-Prinzip arbeiten¬ den Brennkraftmaschine mit Saugrohreinspritzung ist im Insta- tionärbetrieb 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 be¬ sitzen. In Abhängigkeit vom Lastsignal des Motors oder ad¬ äquater Größen wird der Wert der zu dosierenden Kraftstoff¬ masse so korrigiert, daß der im Wandfilm gespeicherte Kraft¬ stoff bei der Berechnung der aktuellen Einspritzzeit berück- sichtigt wird. Dadurch ergeben sich für eine Lasterhöung/ Lastreduzierung Anreicherungen durch Mehr-/Mindermassen ge¬ genüber den Werten der aus dem Lastsignal berechneten Massen des zu dosierenden Kraftstoffes.
Bisherige Ansätze benutzen das nichtlineare Kompensationsmo¬ dell 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 al- terungsbdingte Veränderungen an der Brennkraftmaschine her¬ vorgerufen werden, können somit nicht erfaßt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur modellgestützten Instationarsteuerung einer Brennkraftmaschi¬ ne anzugeben, mit dem Einflüsse auf das Wandfilmverhalten bei der Berechnung der Kraftstoffzumessung berücksichtigt werden so daß dynamische Gemischfehler auch unter veränderten Be¬ triebsbedingungen der Brennkraftmaschine kompensiert werden können.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprü¬ chen angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine Adaption der Mo¬ dellparameter eines Wandfilmkompensationsmodells und dadurch eine Minimierung der dynamischen Gemischfehler der Brenn¬ kraftmaschine während des Fahrbetriebes. Auf der Basis des AusgangsSignals mindestens einer, eine breitbandige Sen¬ sorcharakteristik aufweisende Lambdasonde, einer sogenannten stetigen, insbesonderen linearen Sonde, werden die im Rahmen einer Grundapplikation applizierten Modellparameter so korri¬ giert, daß die dynamischen Abweichungen des Lambda-Signals von einem geforderten Wert, zB. λ = l, d.h. für Lastgrößenän¬ derungen durch Betriebszustandswechsel, bestmöglich reduziert werden. Der permanente Betrieb der Parameteradaption bei gleichzeitigem Einsatz der Lambdaregelung ist durch eine Ent- koppelung zwischen Parameteradaption und Lambdaregelung ge- währleistet. Dies hat den Vorteil, daß während der Adaption die Lambdaregelung weiterlaufen kann; sie reduziert die sta¬ tionären Gemischabweichungen, während durch die Parameter¬ adaption dynamische Gemischfehler minimiert werden.
Für die folgenden Darlegungen wird ein bekanntes Modell
(Achleitner E., Hosp W., Koch A. , Schürz W. : Electronic Engi¬ ne Control System for Gasoline Engines for LEV and ULEV Stan- dards, SAE-Paper:950479, 1995) zur Kompensation der Wandfilm- Effekte zugrunde gelegt. Dieses Modell gestattet die Berück¬ sichtigung von Verdampfungs- und Transportvorgängen des Kraftstoffes, der sich im Saugrohr der Brennkraftmaschine als Wandfilm angelagert hat. Der Ansatz bildet somit die Grundla¬ ge zur Kompensation der wesentlichen Effekte, die durch Kraftstoffanlagerungen an der Saugrohrwand hervorgerufen wer¬ den.
Aus der Figur ist die Struktur der Funktion zur Kompensation der Wandfilmeffekte einschließlich der Parameterschätzung an¬ hand einer Blockdarstellung ersichtlich, die aus zwei paral¬ lelen Kraftstoffpfaden PF1, PF2 besteht, die strukturell gleichartiges dynamisches Verhalten aufweisen.
Die Blöcke SS11 und SS21 repräsentieren statische Nichtlinea- ritäten der Pfade PF1 bzw. PF2, deren Verstärkung im gesteu¬ erten Betrieb durch die Werte der Grundapplikation, nämlich durch die Verstärkungsfaktoren F■•_-•_ 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 Kom- pensationsmodells 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 DSU und DS21) nachgeschaltet. Das Verzögerungsverhalten dieser Glieder wird durch die Para¬ meter der Grundapplikation fτxl bzw. fT21 bestimmt. Für die weiteren Überlegungen soll die Annahme
/ Tll / T21 (1) 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 auf¬ weist .
Um die korrekte Parameterschätzung auch bei stationären Ge¬ mischfehlern zu gestatten, wie sie z.B. im Vollastbetrieb auftreten können, wird der mittels der Lambdasonde ermittelte Lambdawert λ, im folgenden vereinfacht als Lambdasignal be- zeichnet, durch ein System mit dem dynamischen (differenzierend-verzögerndem) Verhalten
Figure imgf000006_0001
gefiltert (Block DS3) , wobei f-j-3 ein applizierbarer Filterfaktor ist, der drehzahl- abhängig aus einem Kennfeld ausgelesen wird und λv dem dyna¬ mischen Gemischfehler entspricht.
Dieser Ansatz leistet einen Beitrag zur Entkopplung von Lambdaregelung und Parameterschätzung.
Für die Auswahl der für die Adaption relevanten Modellparame¬ ter, die eine Beeinflussung der Wirkung des Kompensationsmo- dells mit hohen Freiheitsgraden gestatten, ergeben sich zwei wesentliche Gesichtspunkte.
Erstens muß eine Parameteradaption die Beeinflussung der für eine bestimmte Lastgrößenänderung bereitgestellten Gesamt- masse gestatten. Diese Gesamtmasse muß dem Massenzuwachs des Kraftstoffes im Wandfilm entsprechen. Vor allem durch eine veränderte KraftstoffZusammensetzung wird die Verdampfungsra¬ te und somit auch die im Wandfilm gespeicherte Kraftstoff- masse 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) F1:L und F2ι ermöglicht eine Anpassung der Kompensationsfunktion unter Berücksichtigung der genannten Aspekte. Der Parameter Fll le9t -°e:*- der gewählten Modellstruktur die für eine Lastgrößenänderung zur Verfügung gestellte Gesamtanreiche- rungsmasse fest. Der Parameter F2ι beeinflußt den zeitlichen Verlauf der Anreicherung durch die Wahl einer Gewichtung zwi¬ schen dem Pfad mit hoher Dynamik (Pfad PF2) und dem Pfad mit geringer Dynamik (Pfad PF1) . Damit ist wählbar, welcher An- teil 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 Gesamt- anreicherung ADD gegeben ist.
Somit wird das Ausgangssignal F2] L des Blockes SS21 vom Aus¬ gangssignal Fu 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 Ein- gangssignal gegeben.
Die Adaption der statischen Verstärkungen, d.h. der Parameter der Grundapplikation F11, F2ι der Blöcke SS11 bzw. SS21 er¬ folgt nach den Beziehungen
Fn = FH - Fn ( 3 )
F 2i = F2i - F2] f ( 4 )
wobei die Werte Fι:L und F2ι den Werten der Grundapplikationen des Kompensationsmodelles entsprechen und die Werte F14 und F24 die geschätzten Korrekturparameter sind. Durch den ge¬ wählten 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
Figure imgf000008_0001
zum jeweils aktuellen Zeitpunkt n .
Die Differenz (λw/-λ[n]) entspricht dem aktuellen dynamischen Gemischfehler, der durch die Größe λv approximiert wird.
Für die Minimierung der Gütefunktion (5) nach einem Gradien¬ tenverfahren ist die Bestimmung der zeitlichen Änderung der Eingangsgröße L des Kompensationsmodells erforderlich. Unter Berücksichtigung der Totzeit Tt zwischen der Lastgröße der Brennkraftmaschine und der Messung des entsprechenden Signals der Lambdasonde erfolgt in den jeweils ein differenzierend- verzögerndes Verhalten aufweisenden Blöcken DS12,DS22 die Be¬ stimmung der Lastgrößenänderung für den Pfad PF1 bzw. den Pfad PF2 entsprechend den Gleichungen
Figure imgf000008_0002
Für die Dimensionierung des dynamischen Verhaltens der Syste¬ me DS12 und DS22 müssen lediglich die Relationen
Figure imgf000008_0003
) eingehalten werden. Eine genauere Kenntnis der Totzeit Tt, 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 ge¬ schätzten Parameterwertes an den wahren Wert, nicht erforder¬ lich. 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 Lvl bzw. Lv2.
Die eigentliche Schätzung der Adaptionsparameter erfolgt in den Blöcken DS13 und DS23 entsprechend den Gleichungen
Figure imgf000009_0001
o
Die Faktoren F13 bzw. F23 bestimmen die Konvergenzgeschwindig¬ keit des Verfahrens. Um einen günstigeren zeitlichen Verlauf der Werte der Korrekturparameter F14 und F2i zu erhalten, wird durch die Blöcke DS14 und DS24 eine Tiefpaßfilterung reali¬ siert. Die Ausgangsgröße dieser Filter sind die Adaptionspa- rameter F14 bzw. F24, die zur Korrektur der Grundapplikations- werte des Kompensationsmodells entsprechend den Gleichungen (3) und (4) eingesetzt werden.
Die Ausgangsgrößen der beiden Pfade PF1 und PF2 werden sum- miert und das Ergebnis stellt eine Anreicherung ADD dar, wel¬ che die Kraftstoffmasse im Wandfilm darstellt und die zu der Lastgröße, in diesem Beispiel der Basiseinspritzeit Tj_B ad¬ diert wird, so daß eine das Wandfilmverhalten berücksichti¬ gende Einspritzzeit t-j_ zur Verfügung steht. Da für das angegebene Verfahren die Wahl der zeitlichen Dis- kretisierung der Differentialgleichungen nicht entscheidend ist, erfolgte die Notation der Gleichungen in kontinuierli¬ cher Form. Die dargestellten Prinzipien lassen sich auch auf andere Parameter des genannten Modells z.B. fτxiι /πι bzw. auf andere Modelle zur Kompensation der Wandfilmeffekte anwenden, insbesondere auch auf Modelle mit nur einem Pfad.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur modellgestützten Instationarsteuerung einer Brennkraftmaschine, bei der wesentliche Betriebsgrößen erfaßt und daraus sowohl ein Grundeinspritzmengensignal, als auch eine dieses Grundeinspritzmengensignal beeinflussende Korrek¬ turgröße abgeleitet wird, die das dynamische Verhalten von Kraftstoffanlagerungen an den Wänden des Saugrohres der Brennkraftmaschine mittels eines Wandfilmmodells berücksich- tigt, wobei die Parameter des Wandfilmmodells abhängig von meßbaren Einflüssen durch eine Grundapplikation festgelegt werden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ausgewählte Parameter der Grundapplikation (Fι1,F2ι) auf der Basis deε Ausgangssignals (λ) einer im Abgastrakt der Brennkraftmaschi¬ ne angeordneten breitbandigen Lambdasonde derart adaptiert werden, daß die dynamischen Abweichungen des Ausgangssignals (λ) von einem vorgegebenen Sollwert (λSo]_]_) minimiert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als
Eingangsgröße des Wandfilmmodells ein dem zeitlichen Verlauf der Lastgröße (L) der Brennkraftmaschine entsprechendes Si¬ gnal anliegt und als Ausgangsgröße ein additiver Korrektur¬ faktor (ADD) für das Grundeinspritzmengensignal (t.j_B) ausge- geben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Wandfilmmodell zwei parallele Kraftstoffpfade (PF1, PF2) aufweist, die strukturell gleichartiges dynamisches Ver- halten, aber unterschiedliches Verzögerungsverhalten besitzen und die Parameter der Grundapplikation (F11,F21) für beide Pfade (PF1, PF2) adaptiert werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß für den Pfad mit geringer Dynamik (PF1) durch einen Parameter
(F1;L) der Grundapplikation die für eine Lastgrößenänderung zur Verfügung gestellte Kraftstoffanreicherung festgelegt wird, während für den Pfad mit hoher Dynamik (PF2) durch ei¬ nen Parameter (F21) der Grundapplikation der zeitliche Ver¬ lauf der Kraftstoffanreicherung durch die Wahl einer Gewich¬ tung zwischen den beiden Pfaden (PF1,PF2) beinflußt werden kann.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
- das Ausgangssignal (λ) der Lambdasonde einer Filterung un- terzogen wird (DS3) und als Ergebnis der Filterung der dy¬ namische 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 Korrekturparame¬ ter (F14,F24) bestimmt wird (DS13,DS23),
- diese Korrekturparameter (F14,F24) multiplikativ mit den Pa¬ rametern der Grundapplikation (F11,F21) verknüpft werden und als Ergebnis eine Korrekturgröße (ADD) für das Grund- einspritzmengensignal (tj_B) erhalten wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturparameter (F14,F24) vor der Multiplikation mit den Parametern der Grundapplikation (F11,F21) einer Filterung unterzogen werden (DS14,DS24)
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal (λ) der Lambdasonde mittels eines, ein diffe- renzierend-verzögerndes Verhalten aufweisendes System (DS3) nach der Beziehung
Figure imgf000012_0001
gefiltert wird, wobei fT3 eine applizierbare Filterkonstante darstellt.
8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitliche Änderung der Lastgröße (L) mittels eines, ein dif- ferenzierend-verzögerndes Verhalten aufweisendes System (DS12,DS22) nach der Beziehung 3) nach der Beziehung
gefiltert wird, wobei die Faktoren fτi.2,fτ≥2 das Verzögerungs¬ verhalten beschreiben.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß für die Dimensionierung des dynamischen Verhaltens der Systeme (DS12,DS22) die Relationen
/T12 > 0 . 5 • Tt fT22 > 0 . 5 • Tr fT12 > fT22
gelten, wobei mit Tt die Totzeit, die zwischen der Kraft¬ stoffdosierung und der Erfassung des Luft-Kraftstoff- Verhältnisses durch die Lambdasonde liegt, bezeichnet ist.
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