WO2000053911A1 - Verfahren zur automatischen erstellung von geglätteten kennfeldern für eine elektronische motorsteuerung einer kolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zur automatischen erstellung von geglätteten kennfeldern für eine elektronische motorsteuerung einer kolbenbrennkraftmaschine Download PDF

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WO2000053911A1
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internal combustion
map
adjustment variable
values
optimization
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PCT/EP2000/001545
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Inventor
Günter Schmitz
Werner Hansen
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Fev Motorentechnik Gmbh
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • 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
    • F02D41/24—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents characterised by the use of digital means
    • F02D41/2406—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents characterised by the use of digital means using essentially read only memories
    • F02D41/2425—Particular ways of programming the data
    • F02D41/2429—Methods of calibrating or learning
    • F02D41/2432—Methods of calibration
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • 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
    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1401—Introducing closed-loop corrections characterised by the control or regulation method
    • F02D41/1406—Introducing closed-loop corrections characterised by the control or regulation method with use of a optimisation method, e.g. iteration

Definitions

  • the invention relates to a method for the automatic creation of smoothed maps for an electronic engine control of a piston internal combustion engine.
  • piston internal combustion engines have to be developed and constructed according to the latest knowledge. Not only does a modern mechanical design play a role here, but the electronics are becoming increasingly important due to the enormously increasing possibilities and flexibility.
  • the effort for coordinating the characteristic maps depends heavily on the number of parameters to be calibrated.
  • the number of degrees of freedom in control units is increasing, for example due to the introduction of exhaust gas recirculation (EGR), camshaft adjustment, and a variable intake system, to name just a few.
  • EGR exhaust gas recirculation
  • camshaft adjustment camshaft adjustment
  • variable intake system variable intake system
  • the invention is based on the object of finding a method which already prevents excessive jumps in the calibration data during the optimization run and nevertheless permits a good optimization result and enables the creation of a smoothed characteristic map.
  • 1 is a block diagram for a test bench with map optimization
  • FIG. 2 shows the workflow of the test stand according to FIG. 1 as a block diagram
  • Fig. 11 shows a detailed flow chart for a map optimization by means of quality function and adjustment variable difference detection
  • Fig. 12 is a detailed flow chart for a map optimization to limit the roughness in each operating level.
  • Fig. 1 shows a test rig with automatically-working map optimization system 1, to input information I and output information I from as well as a map output K from, electric motor control device 2, reference piston-type internal combustion engine 3 for a series of the required measuring devices and 4.
  • the system specifies calibration variables that are automatically set on the piston internal combustion engine 3, and then evaluates the measured values for determining optimal calibration variables.
  • the system generates maps as a result, which are transferred to the engine control unit 2 of the piston internal combustion engine 3 and for which the optimization was carried out.
  • the engine control unit 2 also takes into account all the values that are relevant for the use of the piston internal combustion engine 3 in a given vehicle.
  • FIG. 2 shows the workflow of the test stand from FIG. 1 with exemplary input information and examples for calibration variables, for each of which a characteristic diagram has to be created and which measured values can be recorded here.
  • the individual components of the test bench are identified here with the reference symbol from FIG. 1. It is indicated both for the engine control unit 2 of the test bench and for the measuring device 4 that further control elements and measuring devices can be provided.
  • the change in the adjustment quantity, which is used to evaluate the smoothness of a characteristic diagram, is explained with reference to FIG. 5.
  • the ignition timing in this example depends only on a variable input variable, here the speed n, while the value for the torque is kept constant. Shown are a speed n a , called “current speed” and two neighbors “nl” and “n2". The current speed has the ignition timing ZZP a and the two neighbors have the ignition timing ZZP1 and ZZP2.
  • an "ideally smooth ignition timing” is determined, which leads to a smooth map.
  • an interpolation between the ignition timing of the neighbors is carried out, shown in FIG. 5 by a dashed line between ZZPl and ZZP2.
  • the difference between this straight line and the ignition timing ZZP a at the current speed is defined as an adjustment variable jump.
  • the ideal calibration variable value is determined by linear interpolation.
  • the map points depend on (at least) two input variables, for example the ignition point on speed n and load M.
  • the values of the other adjacent map points for example N7 and N3, must also be taken into account.
  • a so-called quality function is used to determine the most favorable adjustment variable combination.
  • the optimization goal is to fall below the specified limit values (e.g. for exhaust gas emissions).
  • the quality function is made up of all the variables G : to G n to be optimized (e.g. consumption, emissions, ...) and the associated limit values GVI 1 to GW n .
  • the weight of the individual quantities in the quality function is determined by factors ⁇ x to ⁇ n .
  • the quality function is:
  • a quality function for an optimization of the fuel consumption b e with a simultaneous requirement for compliance with a nitrogen oxide limit value (N0 X ) is given.
  • N0 X denotes the currently measured NO x value and NO ⁇ ⁇ the limit value to be observed and b e the currently measured fuel consumption
  • the quality function for this application is:
  • Quality example ⁇ x (NO x - NO max ) + ⁇ 2 * b e
  • a minimum of the quality function is determined during the optimization. The sequence of such an optimization in the map optimization system 4 is explained and illustrated in FIG. 7 in the form of a flow chart. In the example mentioned, the ZZP is varied until the minimum of the quality function is found. If the limit for NO x is still exceeded at this minimum, the quality function can be trimmed to a greater sensitivity to the nitrogen oxide value by varying the Lagrangian factors ⁇ j and ⁇ 2 and a minimum can be sought again.
  • the variables to be optimized are a function of the calibration variables and the map point:
  • the minimum of the quality function for the entire map is determined by determining the minimum of the quality function in each map point by varying the adjustment variables, as shown in FIG. 8. In the selected exemplary embodiment, it applies to a map point that n and M are kept constant and the minimum of the ZZP is determined. The minimum is determined in each map point.
  • the adjustment variable values belonging to these minima are the optimal adjustment variable values with regard to the optimization goals in the respective map point. The result of this procedure is an unsmoothed map in accordance with FIG. 3, which still has considerable jumps in the adjustment variable.
  • the quality function must now be influenced during the optimization process. This avoids the occurrence of map jumps in the course of the optimization.
  • the smoothness of the map to be created is taken into account as an additional boundary condition in the optimization. In a first embodiment of the method according to the invention, this is done by "rewarding" an adjustment variable combination which leads to a smooth characteristic diagram in the calculation process, so that it is preferred in the optimization over other adjustment variable combinations, the same or even better results with respect to the rest Deliver boundary conditions, but lead to larger jumps in the adjustment size.
  • the quality function is influenced by a so-called incentive function for rewarding favorable adjustment variable combinations with regard to smoothness, which can be formulated as follows:
  • VG1 to VGx denote the adjustment variables, Optl to Optx the optima of the corresponding adjustment variables in the neighboring operating levels, a to d are factors that determine the influence of the respective adjustment variable in the incentive function.
  • the incentive function for the ignition timing ZZP is shown as an adjustment variable, where Ml is the optimum of the ignition timing from the neighboring operating stages.
  • the optimum is the "ideal variable value", i. H. the interpolated value from the optima of the neighboring operating stages:
  • the overlaid function is:
  • Quality incentive Bgp 1 ⁇ 2 (NO x - NO xMax ) + ⁇ 2 * b e
  • the mode of operation of such an incentive function is shown in FIG. 9.
  • the ignition timing (adjusting variable) should be optimized taking into account the minimum consumption (target variable).
  • the quality function is the course of the consumption over the ignition point. Smooth transitions to neighboring map points are to be created.
  • the ignition point x was determined to be optimal with regard to consumption (FIG. 9).
  • an optimization of the ignition timing should now be carried out taking into account the smoothness.
  • the ignition point y would be determined as optimal with regard to the consumption, because the minimum M2 is smaller than the minimum M1 (FIG. 9).
  • the adjustment variable combination in the minimum Ml leads to a greater smoothness than the adjustment variable combination in the minimum M2, since for the adjacent map point 1 the optimal adjustment variable combination lies with the minimum Ml and not with the minimum M2.
  • the incentive function incentive example is added to the quality function quality example , which has its minimum at the ignition point x of the map point "a", the function value of which becomes less favorable the further the ignition point deviates from the ignition point x (Fig. 9).
  • the addition results in the new quality function, quality incentive example, for the map point "b" (FIG. 9).
  • the ignition point is found in the minimum Ml, which is closer to the ignition point x of the neighboring map point than the ignition point y. This leads to a more favorable adjustment size combination in terms of smoothness.
  • each map point alternately becomes both a neighbor, which has an influence on the point to be optimized, and a point to be optimized, which is influenced by its neighbors.
  • an incentive function is used, which accordingly has several minima depending on the optimal adjustment variables of the neighbors.
  • the example uses a linear incentive function.
  • non-linear incentive functions can also be used to achieve the described influence on the quality function.
  • a measure of the smoothness in this point is determined from the change in the size of a map point.
  • the adjustment variable difference the difference between the ideal value and the value found during optimization is formed in the current map point. This difference is called the adjustment variable difference.
  • the adjustment variable difference like other boundary conditions, e.g. B. the emission values included in the optimization.
  • the adjustment variable difference is included in the optimization as an additional constraint instead of the incentive function. For this purpose, it is treated like a measured value of the piston internal combustion engine. With each measurement on the piston internal combustion engine, it is calculated from the calibration variables of the neighboring and the current operating stage.
  • the adjustment variable difference like the exhaust gas emissions, is included in the quality function. So one of the values G j to G n can contain the smoothness information:
  • the current operating level BS an operating level in the map
  • the calibration variable values of the neighbors are constant, since only the calibration variable value of the current operating level is varied.
  • the optimal calibration variable value for the current operating level is calculated from the calibration variable values of the neighbors.
  • a minimum of the quality function is sought in the current operating stage.
  • the adjustment variable of the current point is varied in order to find the minimum, as can be seen from the flow chart according to FIG. 11. This results in a different adjustment variable difference for each adjustment variable value in accordance with the differently smooth adjustment variable curve to the neighbors.
  • a global value R is calculated for the roughness.
  • “Global” means: for the entire map. To do this, all the differences in the calibration variables are added up. This roughness value is compared with the global limit value for the roughness R ⁇ . A small limit value corresponds to a small roughness corresponding to a good smoothness of the map.
  • the factor ⁇ ( ⁇ 3 in the above example) of the roughness in the quality function is modified, preferably increased, such that the roughness has a stronger influence on the quality function.
  • the optimal calibration variables for the changed quality function are determined. Since this quality function is more dependent on the roughness, more favorable values for the adjustment variables with regard to smoothness are achieved.
  • the roughness is limited for the entire map by specifying a global limit value. It does not matter what proportion the individual operating levels have in the overall result, but only that the value falls below the limit. This process is repeated until all optimization goals are achieved.
  • the maps of piston internal combustion engines are divided into several areas in which different boundary conditions and optimization goals apply.
  • An area is specified by the legally prescribed driving cycle (to limit emissions) and is called the driving cycle area.
  • Other areas are the full load curve, on which maximum power is required, and the rest of the map, in which minimal consumption is usually desired, called the consumption minimum area.
  • a value for the roughness is available for each area.
  • the optimization system calculates this value for each area using the dwell times from the results of the individual operating levels corresponding to
  • Dwell times are only specified for the driving cycle area by the driving cycle.
  • the number of operating levels and the dwell times in the individual operating levels (for the driving cycle area) are determined by converting the driving cycle into stationary operating levels. There are no corresponding requirements for the full load curve and the consumption minimum area.
  • dwell times are also required there. In principle, any length of stay can be assumed. However, since the dwell times are also used to extrapolate the roughness, the following procedure is used to determine the dwell times for the full load curve and the minimum consumption area:
  • the average length of stay in an operating level for the driving cycle area can be calculated from the length of stay and the number of operating levels in the driving cycle area:
  • Average length of stay seconds in the driving cycle area / number of operating levels in
  • This average length of stay is also used for the operating levels on the full load curve and in the consumption minimum area. This makes it possible to calculate the roughness for the entire map: the results of all operating levels are extrapolated (on average) with the same dwell time. The share of an area in the overall result is therefore the ratio of the number of operating levels in the area to the total number of operating levels in the map.
  • a smoothed map can be generated with the method shown, as can be seen from the comparison between FIGS. 3 and 4.
  • This smoothed map not only enables emission limit values to be met, as the map according to Fig. 3, but by the smooth transitions between the operating levels, transferability to the engine control unit and driveability are ensured.
  • the smoothed characteristic maps created in this way during the operation of a reference piston internal combustion engine then serve as “mother” characteristic maps for the production of engine control units for piston internal combustion engines of this type.

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Abstract

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

Description

Bezeichnung Verfahren zur automatischen Erstellung von geglätteten Kennfeldern für eine elektronische Motorsteuerung einer Kolbenbrennkraftmaschine
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Erstellung von geglätteten Kennfeldern für eine elektronische Motorsteuerung einer Kolbenbrennkraftmaschine.
In der modernen Industriegesellschaft spielt Mobilität für den Transport von Gütern und für die Fahrten zur Arbeit eine große Rolle. Ein großer Teil dieser Bewegungen findet auf der Straße statt, und dabei spielt die Kolbenbrennkraftmaschine als Antriebsquelle die dominierende Rolle.
In der letzten Zeit sind die Emissionen von Kolbenbrennkraftmaschinen in den Brennpunkt der öffentlichen Diskussion gerückt. Dies schlägt sich in der Gesetzgebung in Form von immer geringeren Emissionsgrenzwerten nieder. Des weiteren steigen die Preise für die benötigten Treibstoffe. Beides führt dazu, daß emissionsärmere und verbrauchsärmere Kolbenbrennkraftmaschinen erforderlich sind.
Um dieses Ziel zu erreichen, müssen Kolbenbrennkraftmaschinen nach modernsten Erkenntnissen entwickelt und konstruiert werden. Dabei spielt nicht nur eine moderne mechanische Konstruktion eine Rolle, sondern der Elektronik kommt, bedingt durch die enorm steigenden Möglichkeiten und die Flexibilität, eine immer größere Bedeutung zu.
Wo früher mechanische Fliehkraftversteller den Zündzeitpunkt den Erfordernissen angepaßt haben, ist heute ein elektronisches Steuergerät im Einsatz. Dieses kann Einflußgrößen wesentlich genauer berücksichtigen und leichter an verschiedene Einsatzzwecke angepaßt werden. In diesen Steuergeräten sind die Abhängigkeiten zwischen Eingangsgrößen, beispielsweise Drehzahl, und den Ausgangsgrößen, d. h. die VerStellgrößen, wie beispielsweise Zündwinkel, Einspritzmenge etc., in Kennfeldern abgelegt, die für jeden Betriebszustand einer Kolbenbrennkraftmaschine entsprechende Kennfeldpunkte enthalten, die die aktuellen Werte für die Ver- stellgrößen vorgeben.
Bei der Entwicklung einer Kolbenbrennkraftmaschine müssen die notwendigen Kennfelder mit Werten gefüllt werden. Bisher wurden die Kennfelder von besonders erfahrenen Entwicklern aufgrund von PrüfStandsmessungen, durch heuristische Methoden und zum Teil auch intuitiv auf der Basis von Messungen an einer Referenzmaschine erstellt. Dies nahm erhebliche Entwicklungszeit in Anspruch und ergab in der Regel keine optimalen Ergebnisse.
Der Aufwand für die Abstimmung der Kennfelder hängt stark von der Anzahl der zu kalibrierenden Parameter ab. Dabei nimmt die Anzahl der Freiheitsgrade in Steuergeräten zu, beispielsweise durch die Einführung von Abgasrückführung (AGR) , Nockenwellenverstellung, variablem Ansaugsystem, um nur einige zu nennen. Die dann erforderliche Lösung einer mehr als dreidimensionalen Optimierungsaufgabe mit vielen Parametern ist für Menschen kaum noch überblickbar.
Aus diesem Grunde wurden Systeme zur automatischen Kennfeldoptimierung und entsprechende Software entwickelt. Diese erstellen Kennfelder aufbauend auf PrüfStandsmessungen und mathematisch fundierten Algorithmen. Es sind deshalb weniger Straßentests mit Fahrzeugen erforderlich, und eine Optimierung der Kolbenbrennkraftmaschine ist möglich, auch wenn das Gesamtfahrzeug noch nicht vorhanden ist. Dadurch wird zum einen die Entwicklungszeit und somit die "time-to-market" verkürzt und folglich tritt eine Kostenersparnis ein. Zum anderen sind die erzeugten Ergebnisse reproduzierbar und nicht von einem menschlichen Optimierer abhängig, der mit Intuition arbeitet. Das Optimierungssystem ist außerdem leichter adaptierbar und an andere Vorgaben anzupassen. Wegen des relativ geringen Zeitbedarfs kann die automatische Optimierung mit verschiedenen Konfigurationen mehrfach durchgeführt werden. Dies eröffnet die Möglichkeiten verschiedene Szenarien durchzuspielen, die im praktischen Versuch mit vernünftigem Aufwand nicht durchführbar wären.
Mit den bisher angewendeten Verfahren ist es zwar möglich, für eine gegebene Konstruktion einer Kolbenbrennkraftmaschine "Mutter"-Kennfelder zu erstellen, nach denen für die spätere Serienfertigung und auch für die in Serie zu fertigende Motorsteuerung die entsprechenden Kennfeld-Datenträger erstellt werden können. Der Nachteil des bisher angewandten Verfahrens besteht jedoch darin, daß während der Durchführung der automatischen Optimierung für jede Stützstelle bzw. für jeden Betriebspunkt eines Kennfeldes ein Wert erzeugt wird, ohne jedoch die Zusammenhänge zwischen benachbarten Stützstellen zu beachten. Dadurch ergeben sich Sprünge in den Kalibrierdaten benachbarter Stützstellen, die die Übertragbarkeit des Optimierungsergebnisses sowie die Fahrbarkeit im praktischen Fahrzeugeinsatz gefährden. Starke Sprünge von Kalibrierdaten benachbarter Betriebspunkte müssen deshalb vermieden werden.
Sprünge treten dabei in zwei Phasen der Optimierung auf: Zum einen besteht das Problem, daß Abstimmungsergebnisse innerhalb eines nach gleichen Kriterien optimierten Kennfeldbereiches derartige Verstellgrößensprünge aufweisen. Zum anderen ergibt sich ein weiteres Problem von sprunghaften Übergängen beim Zusammenfügen von nach unterschiedlichen Kriterien optimierten Kennfeldbereichen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu finden, das schon während des Optimierungslaufes eine Vermeidung zu starker Sprünge der Kalibrierdaten bewirkt und dennoch ein gutes Optimierungsergebnis zuläßt und die Erstellung eines geglätteten Kennfeldes ermöglicht.
Diese Aufgabe wird mit den im Anspruch 1 angegebenen Verfahrensschritten gelöst. Erfinderische Abwandlungen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 4 angegeben. Die Erfindung wird nachstehend anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild für einen Prüfstand mit Kennfeldoptimierung,
Fig. 2 den Arbeitsablauf des PrüfStands gemäß Fig. 1 als Blockschaltbild,
Fig. 3 ein ungeglättetes Kennfeld, erstellt nach dem Verfahren gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 4 ein geglättetes Kennfeld, erstellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,
Fig. 5 die Darstellung eines Verstellgrößensprungs für eine variable Stellgröße,
Fig. 6 die Darstellung des Verstellgrößensprungs gemäß Fig. 5 in einem Koordinationssystem für zwei Variable,
Fig. 7 ein Flußdiagramm für eine Kennfeldoptimierung mittels einer vorgegebenen Gütefunktion,
Fig. 8 ein Detail-Flußdiagramm zur Erläuterung der Optimierung der Ziel- und Grenzwertgrößen,
Fig. 9 die Wirkungsweise einer Überlagerung einer Gütefunktion mit einer Incentivfunktion,
Fig. 10 ein Detail-Flußdiagramm für eine Kennfeldoptimierung bei Überlagerung einer Gütefunktion mit einer Incentivfunktion,
Fig. 11 ein Detail-Flußdiagramm für eine Kennfeldoptimierung mittels Gütefunktion und Verstell- größendifferenzerfassung, Fig. 12 ein Detail-Flußdiagramm für eine Kennfeldoptimierung zur Begrenzung der Rauhheit in jeder Betriebsstufe.
Fig. 1 zeigt einen Prüfstand mit automatisch arbeitendem Kennfeldoptimierungssystem 1, mit Eingangsinformationen Iein und Ausgangsinformationen Iaus sowie einer Kennfeldausgabe Kaus, elektrischem Motorsteuergerät 2, Referenz-Kolbenbrennkraftmaschine 3 für eine Serie und den erforderlichen Meßeinrichtungen 4. Die Eingangsinformationen des Systems werden zum Teil vom Benutzer vorgegeben (Grenzwerte, Ziele und zu optimierende Kennfeldpunkte) und zum Teil vom System während der Optimierung vom Motorprüfstand angefordert (Meßwerte). Dazu gibt das System Verstellgrößen vor, die automatisch an der Kolbenbrennkraftmaschine 3 eingestellt werden, und wertet daraufhin die Meßwerte zur Bestimmung optimaler Verstellgrößen aus. Schließlich erzeugt das System als Ergebnis Kennfelder, die in das Motorsteuergerät 2 der Kolbenbrennkraftmaschine 3 übertragen werden, für die die Optimierung durchgeführt wurde. Im Motorsteuergerät 2 sind zusätzlich alle Werte berücksichtigt, die für den Einsatz der Kolbenbrennkraftmaschine 3 in einem vorgegebenen Fahrzeug relevant sind.
In Fig. 2 ist der Arbeitsablauf des PrüfStands aus Fig. 1 mit beispielhaften Eingangsinformationen und Beispielen für Verstellgrößen wiedergegeben, für die jeweils ein Kennfeld zu erstellen ist und welche Meßwerte hierbei erfaßt werden können. Die einzelnen Bauelemente des Prüfstands sind hier mit dem Bezugszeichen aus Fig. 1 kenntlich gemacht. Sowohl für das Motorsteuergerät 2 des Prüfstands als auch für die Meßeinrichtung 4 ist angedeutet, daß weitere Steuerelemente und Meßeinrichtungen vorgesehen sein können. Das Kennfeldoptimierungssystem bestimmt während der automatischen Kennfeldoptimierung für jeden Kennfeldpunkt (Kennfeldpunkt = eine Kombination der Eingangsgrös- sen), also beispielsweise Last und Drehzahl einen Verstellgrößenwert, also beispielsweise den Zündzeitpunkt. Jedoch werden dabei keine Zusammenhänge zwischen benachbarten Kennfeldpunkten beachtet. Wie Fig. 3 zeigt, ergeben sich bei dieser Art der Kennfelderstellung Sprünge in den Verstellgrößenwerten zu benachbarten Kennfeldpunkten, die die Übertragbarkeit des Optimierungsergebnisses ins Motorsteuergerät sowie die Fahrbarkeit im praktischen Fahrzeugeinsatz gefährden. Große Verstellgrößensprünge benachbarter Kennfeldpunkte müssen deshalb vermieden werden. Es muß ein "geglättetes" Kennfeld erzeugt werden, wie dies zum Vergleich in Fig. 4 darstellt ist. Ein glattes Kennfeld ist durch kleine Verstellgrößensprünge gekennzeichnet.
Der Verstellgrößensprung, der zur Bewertung der Glattheit eines Kennfeldes benutzt wird, wird anhand von Fig. 5 erläutert. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird ein Beispiel gezeigt, bei dem nur eine Versteilgröße, hier der Zündzeitpunkt ZZP, betrachtet wird. -Der Zündzeitpunkt hängt in diesem Beispiel nur von einer veränderbaren Eingangsgröße, hier der Drehzahl n, ab, während der Wert für das Moment konstant gehalten wird. Dargestellt sind eine Drehzahl na, genannt "aktuelle Drehzahl" und zwei Nachbarn "nl" und "n2". Die aktuelle Drehzahl hat den Zündzeitpunkt ZZPa und die beiden Nachbarn haben die Zündzeitpunkte ZZP1 und ZZP2.
Bei der aktuellen Drehzahl na wird ein "ideal glatter Zündzeitpunkt" bestimmt, der zu einem glatten Kennfeld führt. Zur Bestimmung dieses "idealen Zündzeitpunktes" bei der aktuellen Drehzahl wird eine Interpolation zwischen den Zündzeitpunkten der Nachbarn durchgeführt, in Fig. 5 durch eine gestrichelte Gerade dargestellt zwischen ZZPl und ZZP2. Die Differenz zwischen dieser Geraden und den Zündzeitpunkt ZZPa bei der aktuellen Drehzahl wird als Verstellgrößensprung definiert. Je kleiner der Verstellgrößensprung (hier der Zündzeitpunktsprung) ist, desto glatter ist das Kennfeld im aktuellen Punkt (hier bei der aktuellen Drehzahl) bezogen auf seine Nachbarn.
Für Verstellgrößen, die sich üblicherweise linear ändern, geschieht die Bestimmung des idealen Verstellgrößenwerts durch lineare Interpolation. Allgemein betrachtet können aber auch andere Interpolationen zum Einsatz kommen. Im Normalfall hängen die Kennfeldpunkte von (mindestens) zwei Eingangsgrößen, beispielsweise der Zündzeitpunkt von Drehzahl n und Last M ab. In diesem Fall gibt es mehr als zwei benachbarte Kennfeldpunkte, zwischen denen der ideale Verstellgrößenwert interpoliert werden muß, wie Fig. 6 zeigt. Die Darstellung gemäß Fig. 5 ist in das Koordinatensystem von Fig. 6 eingezeichnet. Um nun zu einem glatten Kennfeld zu kommen, reicht es nicht aus, die in Fig. 5 angegebene Interpolation vorzunehmen, sondern es müssen zusätzlich die Werte der übrigen benachbarten Kennfeldpunkte, beispielsweise N7 und N3, berücksichtigt werden.
In gleicher Weise verfährt man auch für andere Verstellgrößen, z.B. Einspritzmenge, Einspritzbeginn, Abgasruckführrate usw. In diesen Fällen wird für jede Verstellgröße eine Interpolation zwischen den benachbarten Kennfeldpunkten zur Bestimmung des idealen Verstellgrößenwerts durchgeführt.
Zur Bestimmung der günstigsten Verstellgrößenkombination wird eine sogenannte Gütefunktion benutzt. Das Optimierungsziel ist es, die vorgegebenen Grenzwerte (z. B. für die Abgasemissionen) zu unterschreiten. Die Gütefunktion setzt sich zusammen aus allen zu optimierenden Größen G: bis Gn (z. B. Verbrauch, Emissionen, ...) und den zugehörigen Grenzwerten GVI1 bis GWn. Das Gewicht der einzelnen Größen in der Gütefunktion wird durch Faktoren λx bis λn festgelegt. Somit lautet die Gütefunktion:
Güte = λ1 ( Gl - GWX) +λ2(G2 - GW2) +λ3(G3 - GW3)+ ...+λ3(Gn - GWn)
Als Beispiel sei eine Gütefunktion für eine Optimierung des Kraftstoffverbrauchs be bei gleichzeitiger Anforderung an die Einhaltung eines Stickoxidgrenzwertes (N0X) gegeben.
Wenn N0X den aktuell gemessenen NOx-Wert bezeichnet und NO^^ den einzuhaltenden Grenzwert und be den aktuell gemessenen Kraftstoffverbrauch, so lautet die Gütefunktion für diesen Anwendungsfall:
Güte Bsp = λx ( NOx - NOmax ) + λ2 * be Bei der Optimierung wird ein Minimum der Gütefunktion bestimmt. Der Ablauf einer solchen Optimierung im Kennfeldoptimierungssystem 4 ist in Fig. 7 in Form eines Flußdiagramms erläutert und dargestellt. Im genannten Beispiel wird der ZZP variiert, bis das Minimum der Gütefunktion gefunden ist. Sollte bei diesem Minimum der Grenzwert für NOx noch überschritten werden, so kann die Gütefunktion durch Variation der Lagrangefaktoren λj und λ2 auf eine größere Empfindlichkeit gegenüber dem Stickoxidwert getrimmt werden und erneut ein Minimum gesucht werden.
Die zu optimierenden Größen sind eine Funktion der Verstellgrößen und des Kennfeldpunktes:
Gn = f (Verstellgrößen, Eingangsgrößen)
Für das genannte Beispiel bedeutet das:
NOx = f ZZP, n, M) und be = f2(ZZP, n, M)
Das Minimum der Gütefunktion für das gesamte Kennfeld wird bestimmt, indem in jedem Kennfeldpunkt das Minimum der Gütefunktion durch Variation der Verstellgrößen bestimmt wird, wie in Fig. 8 dargestellt. Bei dem gewählten Ausführungsbeispiel gilt für einen Kennfeldpunkt, daß n und M konstant gehalten werden und das Minimum des ZZP bestimmt wird. Die Bestimmung der Mini- ma wird in jedem Kennfeldpunkt durchgeführt. Die Verstellgrös- senwerte, die zu diesen Minima gehören, sind die optimalen Verstellgrößenwerte bezüglich der Optimierungsziele im jeweiligen Kennfeldpunkt. Das Ergebnis dieser Verfahrensweise ist ein un- geglättetes Kennfeld entsprechend Fig. 3, das noch erhebliche Verstellgrößensprünge aufweist.
Zur Vermeidung von Verstellgrößensprüngen muß nun während des Rechengangs zur Optimierung Einfluß auf die Gütefunktion genommen werden. Dadurch wird das Entstehen von Kennfeldsprüngen im Lauf der Optimierung vermieden. Die Glattheit des zu erstellenden Kennfeldes wird zu diesem Zweck als zusätzliche Randbedingung bei der Optimierung berücksichtigt. In einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt dies dadurch, daß im Rechengang eine Verstellgrößenkombination, die zu einem glatten Kennfeld führt, "belohnt" wird, so daß sie bei der Optimierung bevorzugt wird gegenüber anderen Verstellgrößenkombinationen, die gleiche oder sogar bessere Resultate bezüglich der übrigen Randbedingungen liefern, aber zu größeren Verstellgrößensprüngen führen.
Auf die Gütefunktion wird hierbei Einfluß genommen durch eine sogenannte Incentivefunktion zur Belohnung günstiger Verstellgrößenkombination hinsichtlich der Glattheit, die wie folgt formuliert werden kann:
Incentiv = |a(VGl -~θptl)| + |b(VG2 - 0pt2 ) | + |c(VG3 - 0pt3 ) | +...+ | d(VGx - Optx) |
VG1 bis VGx bezeichnen dabei die Verstellgrößen, Optl bis Optx die Optima der entsprechenden Verstellgrößen in den benachbarten Betriebsstufen, a bis d sind Faktoren, die den Einfluß der jeweiligen Verstellgröße in der Incentivfunktion bestimmen.
Als Beispiel sei die Incentivfunktion für den Zündzeitpunkt ZZP als Verstellgröße dargestellt, wobei Ml das Optimum des Zündzeitpunkts aus den benachbarten Betriebsstufen ist. Das Optimum ist der "ideale Verstellgrößenwert", d. h. der interpolierte Wert aus den Optima der benachbarten Betriebsstufen:
IncentivBsp = |a(ZZP- Ml) |
Diese Incentivfunktion wird der Gütefunktion überlagert. Es ergibt sich eine neue Gütefunktion, die ein anderes Minimum hat und damit zu einer anderen Verstellgrößenkombination führt:
GüteIncentiv = Güte + Incentiv
Für das Beispiel lautet die überlagerte Funktion:
GüteIncentiv Bgp = 1 λ2 (NOx - NOxMax ) + λ2 * be | + | a( ZZP - Ml ) Die Wirkungsweise einer solchen Incentivfunktion ist in Fig. 9 wiedergegeben. Optimiert werden soll der Zündzeitpunkt (VerStellgröße) unter Berücksichtigung von minimalem Verbrauch (Zielgröße). Die Gütefunktion ist in diesem Fall der Verlauf des Verbrauchs über dem Zündzeitpunkt. Dabei sollen glatte Übergänge zu benachbarten Kennfeldpunkten erzeugt werden.
In einem Kennfeldpunkt "a" wurde der Zündzeitpunkt x als optimal bestimmt hinsichtlich des Verbrauchs (Fig. 9). Im benachbarten Kennfeldpunkt 2 soll nun eine Optimierung des Zündzeitpunkts unter Berücksichtigung der Glattheit durchgeführt werden. In diesem Kennfeldpunkt "b" würde der Zündzeitpunkt y als optimal bestimmt hinsichtlich des Verbrauchs, weil das Minimum M2 kleiner ist als das Minimum Ml (Fig. 9).
Die Verstellgrößenkombination im Minimum Ml führt jedoch zu einer größeren Glattheit als die Verstellgrößenkombination im Minimum M2 , da für den benachbarten Kennfeldpunkt 1 die optimale Verstellgrößenkombination beim Minimum Ml und nicht beim Minimum M2 liegt.
Zur Beeinflussung der Glattheit wird deshalb auf die Gütefunktion GüteBsp die Incentivfunktion IncentivBsp addiert, die ihr Minimum beim Zündzeitpunkt x des Kennfeldpunktes "a" hat deren Funktionswert um so ungünstiger wird, je weiter der Zündzeitpunkt vom Zündzeitpunkt x abweicht (Fig. 9). Durch die Addition ergibt sich die neue Gütefunktion GüteIncentivBsp für den Kennfeldpunkt "b", (Fig. 9). Bei der Optimierung im Kennfeldpunkt "b" wird nun der Zündzeitpunkt im Minimum Ml gefunden, der näher beim Zündzeitpunkt x des benachbarten Kennfeldpunktes liegt als der Zündzeitpunkt y. Das führt zu einer günstigeren Verstellgrößenkombination hinsichtlich der Glattheit.
Dieses Verfahren wird nun iterativ auf alle Kennfeldpunkte angewendet. Jeder Kennfeldpunkt wird dadurch bei den Optimierungsläufen abwechselnd sowohl Nachbar, der Einfluß auf den gerade zu optimierenden Punkt hat, als auch zu optimierender Punkt, der durch seine Nachbarn beeinflußt wird. Im allgemeinen Fall mit mehreren Nachbarn wird eine Incentivfunktion benutzt, die entsprechend mehrere Minima in Abhängigkeit von den optimalen Verstellgrößen der Nachbarn hat. Das Beispiel benutzt eine lineare Incentivfunktion. In Abhängigkeit vom Verlauf der Gütefunktion und anderen beteiligten Größen können jedoch, je nach Erfordernis, auch nichtlineare Incentivfunktionen zum Einsatz kommen, um den beschriebenen Einfluß auf die Gütefunktion zu erreichen.
Der iterative Ablauf einer Kennfeldoptimierung mit Beeinflussung durch eine Incentivfunktion ist in Fig. 10 erläutert und dargestellt.
In einer anderen Ausgestaltung des Verfahrens wird aus dem Verstellgrößensprung eines Kennfeldpunktes ein Maß für die Glattheit in diese -Punkt ermittelt.
Dazu wird im aktuellen Kennfeldpunkt die Differenz zwischen dem idealen Wert und dem bei der Optimierung gefundenen Wert gebildet. Diese Differenz wird Verstellgrößendifferenz genannt. Die Verstellgrößendifferenz wird, wie andere Randbedingungen, z. B. die Emissionswerte, in die Optimierung mit einbezogen.
Die Verstellgrößendifferenz wird statt der Incentivfunktion als zusätzliche Randbedingung in die Optimierung mit einbezogen. Dazu wird sie wie ein Meßwert der Kolbenbrennkraftmaschine behandelt. Bei jeder Messung an der Kolbenbrennkraftmaschine wird sie aus den Verstellgrößen der benachbarten und der aktuellen Betriebsstufe errechnet. Die Verstellgrößendifferenz geht, genau wie die Abgasemmissionen, in die Gütefunktion mit ein. Also kann einer der Werte Gj bis Gn die Glattheitsinformation enthalten:
Güte = - GW + λ2(G2 - GW2) + λ3(G3 - GW3)+...+λ3(Gn - GWn)
Für eine Optimierung von Kraftstoffverbrauch und Stickoxidentwicklung unter Vorgabe einer maximalen Rauhheit R_,ax (Rauhheit = Gegenteil von Glattheit) erhält man:
GütevdvBsp = λx * be + λ2 ( NOx - NOxMax ) + λ3 ( R - Rmax ) wenn R der aktuell ermittelte Wert für die Rauhheit ist.
Im folgenden wird das Vorgehen für eine Verstellgröße beschrieben. Falls es mehrere Verstellgrößen gibt, wird das Verfahren für jede Verstellgröße angewendet.
Man betrachtet eine Betriebsstufe im Kennfeld, genannt aktuelle Betriebsstufe BS, und ihre Nachbarn. Während der Optimierung dieser Betriebsstufe sind die Verstellgrößenwerte der Nachbarn konstant, da nur der Verstellgrößenwert der aktuellen Betriebsstufe variiert wird. Aus den Verstellgrößenwerten der Nachbarn wird der optimale Verstellgrößenwert für die aktuelle Betriebsstufe errechnet.
In der aktuellen Betriebsstufe wird ein Minimum der Gütefunktion gesucht. Die Verstellgröße des aktuellen Punktes wird dazu variiert um das Minimum zu finden, wie aus dem Flußdiagramm gemäß Fig. 11 ersichtlich. Dabei ergibt sich für jeden Verstellgrößenwert eine andere Verstellgrößendifferenz entsprechend dem unterschiedlich glatten Verstellgrößenverlauf zu den Nachbarn.
Am Ende eines Optimierungszyklus (Optimierung aller Kennfeldpunkte) wird für die Rauhheit ein globaler Wert R berechnet. "Global" heißt: für das ganze Kennfeld. Dazu werden alle Verstellgrößendifferenzen aufsummiert. Dieser Rauhheitswert wird mit dem globalen Grenzwert für die Rauhheit R^ verglichen. Ein kleiner Grenzwert entspricht einer kleinen Rauhheit entsprechend einer guten Glattheit des Kennfeldes.
Wird dieser Grenzwert überschritten, wird der Faktor λ (im obigen Beispiel λ3) der Rauhheit in der Gütefunktion derart modifiziert, vorzugsweise erhöht, daß die Rauhheit einen stärkeren Einfluß auf die Gütefunktion bekommt. Im nächsten Optimierungslauf werden die optimalen Verstellgrößen für die geänderte Gütefunktion bestimmt. Da diese Gütefunktion stärker von der Rauhheit abhängig ist, werden günstigere Werte für die VerStellgrößen bezüglich der Glattheit erreicht. Durch die Vorgabe eines globalen Grenzwerts wird die Rauhheit für das gesamte Kennfeld begrenzt. Hierbei spielt es keine Rolle, welchen Anteil die einzelnen Betriebsstufen am Gesamtergebnis haben, sondern nur, daß der Grenzwert unterschritten wird. Dieser Vorgang wird so lange wiederholt, bis alle Optimierungsziele erreicht werden.
Bei der Begrenzung der Rauhheit durch einen globalen Grenzwert können lokale, vorhandene Verstellgrößendifferenzen durch glatte Teile des Kennfeldes im Summenwert der Rauhheit ausgeglichen werden. "Lokal" heißt: In einem Kennfeldpunkt. Lokale Rauhheiten sind jedoch unerwünscht.
Um diese lokalen Verstellgrößendifferenzen klein zu halten, wird die Rauhheit des Kennfeldes in jeder einzelnen Betriebsstufe durch die Einführung und Vorgabe eines lokalen Grenzwertes R(n,M) begrenzt. Das führt dazu, daß Verstellgrößenkombinationen, die diesen Grenzwert überschreiten, sofort bei der Optimierung dieses Kennfeldpunktes verworfen werden, wie in Fig. 12 angedeutet.
Die Kennfelder von Kolbenbrennkraftmaschinen werden in mehrere Gebiete geteilt, in denen unterschiedliche Randbedingungen und Optimierungsziele gelten. Ein Gebiet ist durch den gesetzlich vorgeschriebenen Fahrzyklus (zur Begrenzung der Emissionen) vorgegeben und wird Fahrzyklusgebiet genannt. Andere Gebiete sind die Vollastkurve, auf der maximale Leistung gefordert wird und der Rest des Kennfeldes, in dem üblicherweise minimaler Verbrauch gewünscht wird, genannt Verbrauchsminimumgebiet.
Um eine Aussage über die Rauhheit im gesamten Kennfeld machen zu können, sind die Rauhheitswerte der verschiedenen Gebiete entsprechend zusammenzufassen. Dazu wird folgendes Verfahren angewandt:
Nach Abschluß der Optimierung liegt für jedes Gebiet ein Wert für die Rauhheit vor. Das Optimierungssystem errechnet diesen Wert für jedes Gebiet mit Hilfe der Verweildauern aus den Er- gebnissen der einzelnen Betriebsstufen entsprechend wie bei
Verbrauch und Emissionen.
Verweildauern sind nur für das Fahrzyklusgebiet durch den Fahrzyklus vorgegeben. Die Anzahl der Betriebsstufen und die Verweildauern in den einzelnen Betriebsstufen (für das Fahrzyklusgebiet) werden durch die Umrechnung des Fahrzyklus in stationäre Betriebsstufen bestimmt. Für die Vollastkurve und das Verbrauchsminimumgebiet gibt es keine entsprechenden Vorgaben.
Um auf der Vollastkurve und im Verbrauchsminimumgebiet eine Optimierung durchführen zu können, werden jedoch auch dort Verweildauern benötigt. Prinzipiell können beliebige Verweildauern angenommen werden. Da die Verweildauern jedoch auch zur Hochrechnung der Rauhheit benutzt werden, wird folgendes Verfahren zur Bestimmung der Verweildauern für Vollastkurve und Verbrauchsminimumgebiet angewandt:
Aus der Verweildauer und der Anzahl der Betriebsstufen im Fahrzyklusgebiet läßt sich die durchschnittliche Verweildauer in einer Betriebsstufe für das Fahrzyklusgebiet errechnen:
Durchschnittliche Verweildauer = Sekunden im Fahrzyklusgebiet / Anzahl der Betriebsstufen im
Fahrzyklusgebiet
Diese durchschnittliche Verweildauer wird auch für die Betriebsstufen auf der Vollastkurve und im Verbrauchsminimumgebiet benutzt. Dadurch ist eine Berechnung der Rauhheit für das gesamte Kennfeld möglich: Die Ergebnisse aller Betriebsstufen werden (im Durchschnitt) mit derselben Verweildauer hochgerechnet. Der Anteil eines Gebietes am Gesamtergebnis ergibt sich deshalb als Verhältnis der Anzahl der Betriebsstufen im Gebiet zu der Gesamtzahl der Betriebsstufen im Kennfeld.
Mit dem dargestellten Verfahren läßt sich ein geglättetes Kennfeld erzeugen, wie der Vergleich zwischen Fig. 3 und Fig. 4 erkennen läßt. Dieses geglättete Kennfeld ermöglicht nicht nur die Erfüllung von Emissionsgrenzwerten, wie das Kennfeld gemäß Fig. 3, sondern durch die glatten Übergänge zwischen den Betriebsstufen sind die Übertragbarkeit ins Motorsteuergerät und die Fahrbarkeit sichergestellt. Die so beim Betrieb einer Refe- renz-Kolbenbrennkraftmaschine erstellten, geglätteten Kennfelder dienen dann als "Mutter"-Kennfelder für die Herstellung von Motorsteuergeräten für Kolbenbrennkraftmaschinen diesen Typs.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur automatischen Erstellung von geglätteten Kennfeldern für elektronische Motorsteuerungen an Kolbenbrennkraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß an einer Referenz-Kolbenbrennkraftmaschine mittels einer Motorsteuerung durch die Vorgabe von Sollwerten der Randbedingungen für den Betrieb einer Kolbenbrennkraftmaschine die Verstellgrößenkombination der einzelnen aufeinanderfolgenden Betriebspunkte eingegeben werden, die Referenz-Kolbenbrennkraftmaschine in diesem Betriebspunkt gefahren und die hierbei auftretenden Ist-Werte und/oder Randbedingungen erfaßt und in einem der Motorsteuerung zugeordneten Optimierungssystem mit den Soll-Werten der Randbedingungen verglichen und bei Abweichungen durch das Optimierungssystem die Verstellgrößenkombinationen schrittweise optimierend geändert werden, wobei eine Gütefunktion für die jeweilige Änderung der Verstellgrößenkombination im OptimierungsSystem vorgegeben ist, und daß die Gütefunktion jeweils unter Berücksichtigung von bereits festgelegten Werten der Verstellgrößenkombi- nation wenigstens eines benachbarten Betriebspunktes korrigiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Güte der jeweiligen Verstellgrößenkombination definiert wird durch die Funktion
Güte = λ1 ( G1 - GW + λ2(G2 - GW2) + λ3(G3 - GW3) + ... +λn(Gn - GWn)
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß unter Berücksichtigung festgelegter Kennfeldwerte wenigstens eines benachbarten Betriebspunktes der Gütefunktion eine Incentivfunktion
Incentiv = |a(VGl - Optl) | + |b(VG2 - 0pt2)| + |c(VG3 - 0pt3) | +...+ |d(VGx - Optx) |
überlagert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweiligen Verstellgröße eine maximal zulässige Rauhheit für das zu erstellende Kennfeld vorgegeben und bei der Gütefunktion berücksichtigt wird.
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