DE102005007057A1

DE102005007057A1 - Fluid flow control method for e.g. motor vehicle`s internal combustion engine, involves determining average value of characteristics values for dynamic behavior of fluid flow parameter changing with varying load conditions, over time period

Info

Publication number: DE102005007057A1
Application number: DE200510007057
Authority: DE
Inventors: Christof Dipl.-Ing. Schernus; Thomas Dr.-Ing. Winsel
Original assignee: Universitaet Kassel; FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
Current assignee: UNIVERSITAET KASSEL, DE; FEV Europe GmbH
Priority date: 2005-02-15
Filing date: 2005-02-15
Publication date: 2006-08-24
Anticipated expiration: 2025-02-16
Also published as: DE102005007057B4

Abstract

The method involves determining characteristic values for a dynamic behavior of a parameter of fluid flow, where the parameter changes with varying load conditions, during operation of a motor vehicle. An average value of the characteristics values is determined over a characteristic time period, during an operation of an internal combustion engine. A distortion factor is determined to display the behavior of the parameter. An independent claim is also included for an internal combustion engine which is coupled with a control device of a motor vehicle.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Regelungsverfahren für einen zu regelnden Fluidstrom einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeuges sowie eine Verbrennungskraftmaschine, die mit zumindest einem Steuergerät eines Kraftfahrzeugs gekoppelt ist, wobei die Verbrennungskraftmaschine zumindest einen dynamisch sich ändernden Fluidstrom aufweist.The The present invention relates to a control method for a to be controlled fluid flow of an internal combustion engine of a motor vehicle as well as an internal combustion engine, with at least one control unit of a Motor vehicle is coupled, wherein the internal combustion engine at least one dynamically changing one Fluid flow has.

Es ist bei einer Verbrennungskraftmaschine bekannt, dass verschiedene Fluidströme geregelt beziehungsweise gesteuert zu- oder abgeführt werden müssen, um einen gewünschten Betrieb beispielsweise eines Fahrzeuges zu gewährleisten. So geht beispielsweise aus der DE 102 27 466 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Zylinderbeladung einer Verbrennungskraftmaschine hervor. Dafür werden zwei Zylinderbeladungswerte über zwei voneinander verschiedene Modelle ermittelt, miteinander verglichen und schließlich auf der Grundlage des Ergebnisses des Vergleiches eines der beiden Zylinderbeladungsmodelle angepasst.It is known in an internal combustion engine that different fluid flows must be regulated or controlled to be supplied or removed in order to ensure a desired operation, for example, a vehicle. So goes for example from the DE 102 27 466 A1 a method and apparatus for determining cylinder loading of an internal combustion engine. For this purpose, two cylinder load values are determined via two mutually different models, compared with one another and finally adjusted on the basis of the result of the comparison of one of the two cylinder load models.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine genauere, insbesondere unter zeitlichen Gesichtspunkten zu bewirkende Beeinflussung von Fluidströmen mit überschaubarem Aufwand ermöglichen zu können.task The present invention is a more accurate, in particular under temporal aspects to be effected influencing fluid flows with manageable Allow effort to be able to.

Diese Aufgabe wird mit einem Regelungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und mit einer Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildung sowie weitere Gedanken, die insbesondere auch unabhängig als eigenständige Ausgestaltungen ausführbar sind, sind in den jeweiligen Unteransprüchen und in der nachfolgenden Beschreibung angegeben.These Task is with a regulatory procedure with the characteristics of Claim 1 and with an internal combustion engine having the features of claim 11 solved. Advantageous training and other thoughts, in particular also independent as independent Embodiments executable are in the respective subclaims and in the following Description given.

Ein erfindungsgemäßes Regelungsverfahren eines zu regelnden Fluidstromes einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeuges basiert darauf, dass zumindest ein erster Parameter des Fluidstromes, der sich bei Betrieb des Kraftfahrzeuges bei wechselnden Belastungssituationen ändert, ein dynamisches Verhalten aufweist, wobei ein für das dynamische Verhalten des ersten Parameters charakteristischer Wert ermittelt wird, mittels dem ein genaueres Regeln ermöglicht wird gegenüber einem Regeln mittels einer Bestimmung eines Mittelwertes des charakteristischen Wertes über einen beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine charakteristischen Zeitraum.One Control method according to the invention a fluid flow of an internal combustion engine to be controlled of a motor vehicle based on the fact that at least a first Parameters of the fluid flow, resulting in operation of the motor vehicle changes in changing load situations, a dynamic behavior has, with a for the dynamic behavior of the first parameter more characteristic Value is determined by means of which a more precise rules is made possible across from a rule by means of a determination of an average of the characteristic Value over a characteristic of the operation of the internal combustion engine Period.

Als charakteristischer Zeitraum ist insbesondere ein Arbeitstakt oder auch ein abgeschlossener 2-Takt oder 4-Takt der Verbrennungskraftmaschine zu betrachten, über denen eine Ermittlung eines Mittelwertes erfolgen kann. Bei der Ermittlung eines derartigen Mittelwertes kommt es zu einer Nivelierung von Ausschlägen innnerhalb dynamischer Zustandsänderungen. Eine Verbesserung der Erfassung von dynamischen Vorgängen wird dadurch ermöglicht, dass eine an die tatsächlichen Schwankungen angekoppelte Beeinflussung der Fluidströmung ermittelbar wird. Dieses erlaubt insbesondere eine höhere Genauigkeit bei der Beeinflussung des Fluidstromes.When characteristic period is in particular a work cycle or also a completed 2-stroke or 4-stroke of the internal combustion engine to look over where a determination of an average value can be made. In the Determination of such an average value leads to a leveling inside of rashes dynamic state changes. An improvement in the detection of dynamic processes is thereby enabling that one to the actual Variations coupled influencing the fluid flow can be determined becomes. This allows in particular a higher accuracy in influencing the Fluid flow.

Gemäß einer Weiterbildung des Regelungsverfahren wird eine Spektralanalyse eines Schwingungsverhaltens zumindest des mit dem Fluidstrom gekoppelten ersten Parameters zur Ermittlung des charakteristischen Wertes durchgeführt. Eine weiter Ausgestaltung sieht vor, dass zumindest ein zweiter Parameter, der mit dem Fluidstrom gekoppelt ist, auf sein Schwingungsverhalten zusätzlich untersucht wird. Das Ergebnis kann ebenfalls in das Regelungsverfahren eingehen.According to one Continuing the regulatory procedure will be a spectral analysis of a Vibration behavior of at least the coupled with the fluid flow first parameter for determining the characteristic value performed. A further embodiment provides that at least one second parameter, which is coupled to the fluid flow, on its vibration behavior additionally is examined. The result can also be in the regulatory procedure received.

Weiterhin besteht die Möglichkeit, das Regelungsverfahren so auszugestalten, dass zusätzlich oder ersatzweise ein Klirrfaktor ermittelt wird, der das dynamische Verhalten des ersten Parameters wiedergibt.Farther it is possible, To design the regulatory procedure in such a way that additionally or alternatively a harmonic distortion is determined, which determines the dynamic behavior of the first parameter.

Auch besteht die Möglichkeit, dass das Regelungsverfahren die Ermittlung einer Standardabweichung vorsieht, die das dynamische Verhalten des ersten Parameters wiedergibt.Also it is possible, that the regulatory procedure provides for the determination of a standard deviation, which represents the dynamic behavior of the first parameter.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass zumindest eine Grundwelle eines Schwingungsverhaltens ermittelt wird, mittels der auf das dynamische Verhalten des ersten Parameters geschlossen wird. Zusätzlich wie auch ersatzweise kann vorgesehen sein, dass zumindest eine Oberwelle eines Schwingungsverhaltens ermittelt wird, mittels der auf das dynamische Verhalten des ersten Parameters geschlossen wird. Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Grundwelle und zumindest eine Oberwelle miteinander gekoppelt werden und mittels der daraus gewonnenen Beziehung auf das dynamische Verhalten des ersten Parameters geschlossen wird.It is preferably provided that at least one fundamental wave of a vibration behavior is determined by means of which the dynamic behavior of the first parameter is concluded. In addition, as well as substitute, it can be provided that at least one harmonic of a vibration behavior is determined by means of which the dynamic behavior of the first parameter is deduced. A further education It provides that the fundamental wave and at least one harmonic wave are coupled with each other and that the resulting relationship is used to deduce the dynamic behavior of the first parameter.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass neben einem ersten Fluidstrom zumindest auch ein zweiter Fluidstrom betrachtet und in das Regelungsverfahren miteingeht. Beispielsweise kann von einem Verhalten des ersten Fluidstroms auf das Verhalten des zweiten Fluidstroms geschlossen werden, insbesondere wenn beide miteinander gekoppelt sind. Auch kann ein Fluidstrom geregelt werden, der sich aufteilen kann, in den zumindest ein zusätzlicher Fluidstrom einströmt und/oder in dem getaktete oder zeitlich voneinander unregelmäßig versetzte Ereignisse stattfinden bzw. Aggregatzustandsänderungen sich ergeben, zum Beispiel vom flüssigen Zustand in einen gasförmigen und umgekehrt.Farther it can be provided that in addition to a first fluid flow at least also considered a second fluid flow and in the regulatory process miteingeht. For example, a behavior of the first fluid stream be closed to the behavior of the second fluid flow, in particular when both are coupled together. Also, a fluid flow which can be divided into at least one additional one Fluid flow flows and / or in the clocked or temporally offset from each other irregularly Events take place or aggregate state changes occur, for Example of the liquid state in a gaseous and vice versa.

Vorzugsweise nutzt das Regelungsverfahren einen modellbasierten Regler zur Umsetzung des Regelungsverhaltens. Beispielsweise kann der modelbasierte Regler mittels eines neuronalen Netz zumindest eine Datenbasis ermitteln, die zur Regelung des dynamischen Verhaltens eingesetzt wird.Preferably The control method uses a model-based controller for implementation the regulatory behavior. For example, the model-based controller determine at least one database by means of a neural network used to control dynamic behavior.

Eine bevorzugte Anwendung des Regelungsverfahren sieht vor, dass es bei einer modelbasierten Simulation zur Verkürzung einer Applikationszeit der Verbrennungskraftmaschine für das Kraftfahrzeug eingesetzt wird.A preferred application of the regulatory procedure provides that it a model-based simulation to shorten an application time the internal combustion engine for the motor vehicle is used.

Gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung wird eine Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagen, die mit zumindest einem Steuergerät eines Kraftfahrzeugs gekoppelt ist, wobei die Verbrennungskraftmaschine zumindest einen dynamisch sich ändernden Fluidstrom aufweist und das Steuergerät in der Lage ist, den Fluidstrom gezielt zu beeinflussen, wobei zumindest ein Messwertaufnehmer zur Ermittlung eines ersten Parameters des Fluidstroms in Verbindung mit dem Steuergerät steht und eine Auswerteeinheit vorhanden ist, die eine Signalerzeugung aufweist, die mittels des ersten Parameters ein eine Dynamik des Fluidstroms wiedergebendes Signal generiert, und die Auswerteeinheit mit einer Stellvorrichtung zur Beeinflussung des Fluidstroms gekoppelt ist.According to one Another idea of the invention is an internal combustion engine proposed, which is coupled to at least one control unit of a motor vehicle is, wherein the internal combustion engine at least one dynamic changing Fluid flow and the controller is capable of the fluid flow targeted, with at least one transducer for Determination of a first parameter of the fluid flow in conjunction with the control unit stands and an evaluation unit is present, which is a signal generation has, by means of the first parameter a dynamics of the Fluid stream reproducing signal generated, and the evaluation unit coupled to an actuator for influencing the fluid flow is.

Eine Weiterbildung sieht vor, dass das Steuergerät in einem Motorsteuergerät implementiert ist. Auch kann das Steuergerät vom Motorsteuergerät getrennt mit diesem über eine Verbindung, insbesondere über einen Datenbus, gekoppelt sein. Das Steuergerät kann beispielsweise direkt, zumindest in unmittelbarer Nähe zum Fluidstrom und/oder einem Bauelement angeordnet sein, welches zu betätigen ist. Weiterhin können mehrere Steuergeräte untereinander gekoppelt sein und vorzugsweise Signale untereinander austauschen. Gemäß einer Ausgestaltung können die Steuergeräte zumindest teilweise auch redundant sein.A Further development provides that the control unit implemented in an engine control unit is. Also, the controller can from the engine control unit separated with this over a connection, in particular via a data bus, be coupled. The controller can, for example, directly, at least in the immediate vicinity of Fluid flow and / or a device to be arranged, which to actuate is. Furthermore, several ECUs be coupled together and preferably signals to each other change. According to one Design can the control units be at least partially redundant.

Gemäß einer Ausgestaltung sieht die Auswerteeinheit vor, mittels der Signalerzeugung zumindest eine Standardabweichung zu ermitteln. Zusätzlich wie auch ersatzweise kann die Auswerteeinheit vorsehen, mittels der Signalerzeugung zumindest einen Klirrfaktor zu ermitteln. Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Auswerteeinheit eine Fourier-Transformation implementiert aufweist. Dieses kann eine FFT und/oder auch DFT sein. Das Steuergerät ist gemäß einer Ausgestaltung zusätzlich oder auch alternativ mit einem neuronalen Netz zumindest gekoppelt.According to one The embodiment provides the evaluation unit, by means of the signal generation to determine at least one standard deviation. In addition, how also substitute, the evaluation can provide, by means of Signal generation to determine at least one harmonic distortion. A further education provides that the evaluation unit has implemented a Fourier transformation. This can be an FFT and / or DFT. The controller is in accordance with a Design in addition or alternatively at least coupled to a neural network.

Im folgenden werden weitere Gedanken angegeben, die unabhängig und getrennt wie auch kombiniert mit den obigen verfolgt werden können.in the Following are additional thoughts that are independent and can be followed separately as well as combined with the above.

Vorzugsweise werden das Steuergerät wie auch das Verfahren zur Regelung dynamischer Fluidströme für Gase, Flüssigkeiten wie auch für Mischungen von Gasen, Flüssigkeiten und/oder Feststoffen genutzt. Die Regelung basiert auf einer charakteristischen Meßgröße wie sie zum Beispiel durch eine Durchfluss-, einer Massenstrom- und/oder einer Druckmessung ermittelbar ist. Zusätzlich wie auch alternativ kann das Verfahren auch auf einem virtuellen, das bedeutet rechnerisch ermittelten Verlauf einer charakteristischen Größe basieren. Um zu vermeiden, dass über einen ermittelten Mittelwert eines Massenstromes oder eines anderen Signals über Durchfluss-, Massenstrom- oder Druckmesser bei einer stationären, quasi-stationären wie auch dynamischen, insbesondere pulsierenden eine zu ungenaue Regelung insbesondere eines mittleren Fluidstroms erfolgt, wird eine an die Dynamik im Fluidstrom angepasste Regelung verwendet. Mit dieser gelingt es beispielsweise, eine genauere Bestimmung einer beispielsweise tatsächlichen Durchflussmenge zu erzielen. Insbesondere besteht die Möglichkeit, eventuelle Fehlerquellen zumindest abzuschwächen, vorzugsweise zu eliminieren. Fehlerquellen für eine Regelung eines Fluidstromes können beispielsweise sein: dynamisch sich ändernde Fluidsströme in einem instationären Lastfall, Rückwirkungseinflüsse von bewegten Teilchen im Fluidstrom, Aggregatänderungen, Dichteänderungen. Für die Regelung wird zumindest ein, vorzugsweise mehrere charakteristische Kennwerte eines dynamischen Durchfluss-, Massenstrom und/oder zum Beispiel Druckverlauf des Fluides ermittelt. Zusätzlich kann ein dynamischer Durchfluss-, Massenstrom- und/oder Druckverlauf ebenfalls ermittelt und in die Regelung miteingehen. Zusätzlich wie auch alternativ zu den dynamischen Verläufen können auch ein oder mehrere Mittelwerte von Durchfluss-, Massenstrom und/oder Druckverlauf in der Regelung Berücksichtigung finden.Preferably, the controller as well as the method for controlling dynamic fluid flows for gases, liquids as well as mixtures of gases, liquids and / or solids are used. The control is based on a characteristic measured variable as it can be determined for example by a flow, a mass flow and / or a pressure measurement. In addition, as well as alternatively, the method can also be based on a virtual, that is to say calculated course of a characteristic variable. In order to avoid that over a determined average value of a mass flow or other signal via flow, mass flow or pressure gauge in a stationary, quasi-stationary as well as dynamic, in particular pulsating too inaccurate control in particular a mean fluid flow takes place, one to the Dynamics used in the fluid flow adapted control. With this it is possible, for example, to achieve a more accurate determination of, for example, an actual flow rate. In particular, it is possible to mitigate or at least eliminate possible sources of error. Sources of error for a control of a fluid flow may be, for example: dynamically changing fluid flows in a transient load case, repercussions of moving particles in the fluid flow, changes in aggregate, density changes. For the control at least one, preferably a plurality of characteristic characteristics of a dynamic flow, mass flow and / or for example Druckver Flow of the fluid determined. In addition, a dynamic flow, mass flow and / or pressure curve can also be determined and included in the control. In addition, as well as alternatively to the dynamic curves, one or more mean values of flow, mass flow and / or pressure curve can also be taken into account in the control.

Gemäß einer Ausgestaltung wird ein Klirrfaktor in Verbindung mit einem Gleichanteil und/oder einer Grundwellenamplitude als Kenngröße des Messsignals, zum Beispiel Massenstrom oder Druck, verwendet. Auch kann eine Standardabeichung oder eine andere Kenngröße gewählt werden, die ein dynamisches Signal charakterisiert. Beispielsweise wird mittels einer Fourierzerlegung des dynamischen Messsignals eine oder mehrere Amplituden einer oder mehrerer Oberwellen zur Regelung verwendet.According to one Embodiment is a harmonic distortion in conjunction with a DC component and / or a fundamental wave amplitude as a parameter of the measurement signal, for example Mass flow or pressure, used. Also can be a standard calibration or another parameter can be selected, which characterizes a dynamic signal. For example by means of a Fourier decomposition of the dynamic measurement signal or multiple amplitudes of one or more harmonics for control used.

Weiterhin können Regler eingesetzt werden, die auf vereinfachten Funktionen, auf Tabellen und/oder neuronalen Netzen basieren, insbesondere bei einer Echtzeitregelung. Weiterhin besteht die Möglichkeit der Anwendung modellbasierter Regler.Farther can Regulators are used, based on simplified functions Tables and / or neural networks are based, especially in one Real-time control. Furthermore, there is the possibility of applying model-based Controller.

Vorzugsweise wird die Regelung beziehungsweise ein damit bestücktes Steuergerät zu einer modellbasierten Simulation zur Verkürzung von Applikationszeiten einer Verbrennungskraftmaschine genutzt. Hierbei wird insbesondere eine Hardware-in-the-Loop-Regelung vorgenommen, vorzugsweise unter Implementierung von ein oder mehr neuronalen Netzen. Damit gelingt es beispielsweise, Steuergeräteparameter zu erzeugen. Über ein neuronales Netz werden Mittelwerte relevanter Verbrennungskraftmaschinenkennwerte und deren Wechselwirkungen approximiert. Zusätzlich kann eine physikalische Modellstruktur überlagert werden. Vorzugsweise werden verwendete physikalische Modellstrukturen in Funktionsblöcke unterteilt, insbesondere zur Bilanzierung von Fluidströmen.Preferably is the scheme or a populated with a control unit to a Model-based simulation to reduce application times used an internal combustion engine. This is in particular a hardware-in-the-loop control made, preferably with the implementation of one or more neural networks. This succeeds, for example, ECU parameters to create. about a neural network becomes averages of relevant internal combustion engine characteristics and their interactions approximated. In addition, a physical Model structure superimposed become. Preferably, used are physical model structures in function blocks divided, in particular for balancing fluid flows.

Die vorgeschlagene Verfahrensweise kann grundsätzlich zur Regelung aller dynamischer Gas- und/oder Flüssigkeitsströmungen eingesetzt werden, unabhängig von ihrem Einsatzzweck, ihrer Verwendung und ihrem Einsatzort. Insbesondere besteht nicht die Beschränkung des Einsatzes auf eine Verbrennungskraftmaschiene. Vielmehr können auch andere Vorrichtungen aus unterschiedlichsten Bereichen wie zum Beispiel der Haustechnik, zum Beispiel Wärmepumpen, bei verfahrenstechnischen Anlagen, bei feuerungstechnischen Anlagen oder auch bei schiffstechnischen Anlagen die vorgeschlagene Regelung und deren Ausgestaltungen an den jeweiligen Anwendungszweck abgewandelt angewendet werden.The Proposed procedure can basically for the regulation of all dynamic Gas and / or liquid flows used become independent of their purpose, their use and their location. Especially is not the limitation the use of a Verbrennungskraftmaschiene. Rather, you can too other devices from different areas such as home technology, for example heat pumps, in process engineering plants, in firing systems or also in ship technical systems the proposed regulation and their embodiments modified to the particular application be applied.

Ein bevorzugter Anwendungsbereich ist eine Motorsteuerung. Zum Beispiel wird eine Gasstrom in einem Einlass der Verbrennungskraftmaschine mittels eines Massenstrom- oder Drucksignals und einer Drosselklappe oder einer variablen Ventilsteuerung geregelt, um eine Füllung eines Zylinders, einen Einspritz- oder Zündzeitpunkt wue auch eine Einspritzmenge entsprechend einer Last bzw. Drehzahl exakt einzustellen. Hierbei können Kaltstart-, Warmlauf-, Heißlauf-, Filter- oder Katalysator-Regenrationsphasen, Lastsprünge oder anderes geregelt werden. Auch kann eine Regelung, zum Beispiel eine Auslassregelung mit variabel schaltbaren Ventilzeiten, insbesondere mittels variabler Ventile wie beispielsweise elektromagnetisch verstellbarer Ventile eingesetzt werden. Es besteht die Möglichkeit, darüber eine Restgassteuerung, eine innere Abgasrückführung und/oder eine externe Abgasrückführung bewirken zu können.One the preferred application is a motor control. For example is a gas flow in an inlet of the internal combustion engine by means of a mass flow or Pressure signal and a throttle valve or a variable valve timing fixed to a filling a cylinder, an injection or ignition timing wue also an injection quantity set exactly according to a load or speed. in this connection can Cold-start, warm-up, hot-run, Filter or catalyst regeneration phases, load jumps or other be managed. Also can be a scheme, for example, an outlet control with variably switchable valve times, in particular by means of variable Valves such as electromagnetically adjustable valves be used. There is a possibility about it one Residual gas control, an internal exhaust gas recirculation and / or an external Exhaust gas recirculation effect to be able to.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in der nachfolgenden Zeichnung beispielhaft erläutert. Die jeweils dargestellten Figuren und Beschreibungen von Merkmalen sind jedoch nicht beschränkend auszulegen. Vielmehr können diese mit weiteren Merkmalen aus der Zeichnung wie auch mit Merkmalen aus den oben beschrieben Ausgestaltungen zu zusätzlichen Ausgestaltungen verbunden werden. Es zeigen:Further advantageous embodiments and developments are in the following Drawing exemplified. The illustrated figures and descriptions of features however, are not limiting interpreted. Rather, you can these with further features from the drawing as well as with features from the embodiments described above to additional embodiments become. Show it:

1 ein Beispiel einer Berechnung eines Gasstroms durch eine Drossel ohne Berücksichtigung einer pulsierenden Strömung für eine von einem Öffnungswinkel abhängige Durchflussfunktion, 1 an example of a calculation of a gas flow through a throttle without consideration of a pulsating flow for an opening angle-dependent flow function,

2 Eingang- und Ausgangsignale einer Diskreten Fourier Transformation, 2 Input and output signals of a Discrete Fourier Transform,

3 einen Kurbelwinkel aufgelöst gemessener Druck im Saugrohr eines Vierzylinder-Viertaktmotors, 3 a crank angle dissolved measured pressure in the intake manifold of a four-cylinder four-stroke engine,

4: normierte Amplituden aus der Diskreten Fourier Transformation des Saugrohrdruckverlaufs, 4 : normalized amplitudes from the discrete Fourier transformation of the intake manifold pressure curve,

5: eine Zusammenfassung des Amplitudengangs zum Klirrfaktor, 5 : a summary of the amplitude response to harmonic distortion,

6: ein Modell als virtueller Sensor für den Klirrfaktor sowie die weiter unten jeweils angeführten Figuren, 6 : a model as a virtual sensor for the harmonic distortion and the figures below each,

7: ein Training eines Klirrfaktormodells unter Verwendung eines neuronalen Netzes, 7 : a training of a distortion factor model using a neural network,

8: einen Einsatz eines Klirrfaktormodells unter Verwendung eines neuronalen Netzes mit deaktiviertem Trainingsprozess, 8th a use of a distortion factor model using a neural network with a deactivated training process,

9: ein erweitertes Drosselklappen-Luftstrommodell mit Berücksichtigung des Klirrfaktors, hier als Eingang einer Pulsations-Korrekturfunktion, 9 : an extended throttle airflow model with consideration of harmonic distortion, here as the input of a pulsation correction function,

10: ein erweitertes Drosselklappen-Luftstrommodell mit Berücksichtigung des Klirrfaktors, hier als zusätzlicher Eingang eines neuronalen Netzes, 10 : an extended throttle airflow model with consideration of the harmonic distortion, here as an additional input of a neural network,

11: einen Einfluss der Verstellung der Ventilsteuerzeiten auf den Klirrfaktor und den Luftmassenstrom durch die Drosselklappe, 11 an influence of the adjustment of the valve timing on the harmonic distortion and the air mass flow through the throttle valve,

12: ein Modell zur Berechnung des Luftmassenstroms aus dem Luftverteiler, 12 a model for calculating the air mass flow from the air distributor,

13: ein Luftpfad-Behältermodell mit Berücksichtigung des Einflusses der Ventiltrieb-Variabilität, 13 an air path container model taking into account the influence of valvetrain variability,

14: eine Variation des Luftmassenfluss dm_Luft,DK/dt bei annähernd konstanten Eingängen [α_DK ϑ_Ans p_Saug] sowie Drehzahl n_KW 14 : a variation of the air mass flow dm _{air, DK} / dt at approximately constant inputs [α _DK θ _Ans p _suction ] and speed n _KW

15: eine Motordrehzahl n_KW als zusätzlicher Eingang des Drosselklappenmodells, 15 : an engine speed n _KW as an additional input of the throttle valve model,

16: ein Mittelwertmodell zur Nachbildung des Luftmassenstroms, 16 an average model for modeling the air mass flow,

17: zyklische Schwankungen des Saugrohrdrucks in einem Arbeitsspiel (4 Takte), 17 : cyclic fluctuations of the intake manifold pressure in one cycle (4 cycles),

18: ein normiertes Leistungsspektrum des in 17 dargestellten Saugrohrdruckverlaufs, welches mittels diskreter Fourier Transformation (DFT) ermittelt wurde, 18 : a standardized performance spectrum of the in 17 shown Saugrohrdruckverlaufs, which was determined by discrete Fourier transformation (DFT),

19: ein DFT-Mittelwertmodell zur Nachbildung des Luftmassenstroms durch die Drosselklappe verwendet die Klirrfaktoren F_Klirr aufeinander folgender Saugrohrdruckverläufe, 19 : a DFT mean value model for the simulation of the air mass flow through the throttle valve uses the harmonic distortion F _{distortion of} successive intake manifold pressure profiles,

20: ein Mittelwertmodell zur Nachbildung des Luftmassenstroms in die Zylinder, 20 : a mean value model for modeling the air mass flow into the cylinders,

21: eine Modellstruktur zur Nachbildung des Zylinderluftmassenstroms, bei der nach Umlegen eines Schalters ein neuronaler Approximator die DFT ersetzt, 21 : a model structure for modeling the cylinder air mass flow, in which a neuronal approximator replaces the DFT after switching a switch,

22: eine HiL-Simulation eines Kaltstarts bei 20°C mit den Phasen Anschleppen, Hochlauf und Einregeln auf die Leerlaufdrehzahl, 22 : a HiL simulation of a cold start at 20 ° C with the phases towing, run-up and adjusting to idle speed,

23: eine HiL – simuliertes Drehmoment an der Kurbelwelle und Luftmassenfluss während des Kaltstarts aus 22, 23 : a HiL - simulated torque on the crankshaft and air mass flow during cold start off 22 .

24: Eingriffe des Motorsteuergeräts während der drei Phasen Anschleppen, Hochlauf und Einregeln der Leerlaufdrehzahl in Reaktion auf die HiL-Simulation des Kaltstarts. 24 : Intervention of the engine control unit during the three phases of towing, starting up and adjusting the idle speed in response to the HiL simulation of the cold start.

1 zeigt beispielhaft eine Berechnung eines Gasstroms durch eine Drossel ohne Berücksichtigung einer pulsierenden Strömung für eine von einem Öffnungswinkel abhängige Durchflussfunktion. Modellbasierte Regelungen erfordert eine möglichst genaue Beschreibung der Regelstrecke. Die dabei verwendeten Modelle arbeiten meistens mit geeigneten Mittelwerten der dynamischen Größen. Bei Motoren wird z.B. der mittlere Druck im Luftverteiler verwendet, um die Lufmassenströme zu berechnen, die einerseits durch z.B. eine Drosselklappe einströmen und andererseits zu den Zylindern hin abfließen. Der Luftmassenstrom durch die Drosselklappe eines Motors ṁ_L,DK wird z.B. aus dem zeitlichen Mittelwert des Ansaugdrucks vor der Drosselklappe (p_Ans), der Lufttemperatur vor Drosselklappe (ϑ_Ans), dem durch den Drosselklappendurchmesser (D_DK) bestimmten maximalen Querschnitt sowie dem aus dem mittleren Druck im Luftverteiler (p_Saug) berechnet. 1 shows by way of example a calculation of a gas flow through a throttle without consideration of a pulsating flow for an opening angle-dependent flow function. Model-based regulations require the most accurate description of the controlled system. The models used in this case usually work with suitable mean values of the dynamic quantities. In motors, for example, the mean pressure in the air distributor is used to calculate the air mass flows that flow on the one hand through, for example, a throttle valve and on the other hand flow to the cylinders. The air mass flow through the throttle valve of an engine ṁ _{L, DK} is eg from the time average of the intake pressure before the throttle (p _Ans ), the air temperature before the throttle (θ _Ans ), by the throttle valve diameter (D _DK ) determined maximum cross-section and off the mean pressure in the air distributor (p _suction ).

Änderungen des Drucks, die unterhalb der zeitlichen Auflösung dieser Modelle liegen, werden hinsichtlich ihres Einflusses auf die Luftströme üblicherweise nicht berücksichtigt.amendments the pressure, which are below the temporal resolution of these models, become common in terms of their influence on the air flows not considered.

Tatsächlich wird aber bei der modellbasierten Bestimmung des durch die Drosselklappe in den Luftverteiler eintretenden Luftstroms ein Einfluss des pulsierenden Drucks im Luftverteiler bzw. der infolgedessen in der Drosselklappe pulsierenden Strömung auf die Wirkung der Drosselklappe beobachtet. Wird dieser Effekt wie in z.B. 1 vernachlässigt, führt dies zu einer ungenauen Vorhersage des in den Luftverteiler eintretenden Gasstroms.In fact, however, in the model-based determination of the airflow entering the air distributor through the throttle, an influence of the pulsating pressure in the air distributor or, consequently, in the throttle pulsating flow on the action of the throttle valve is observed. If this effect as in eg 1 neglected, this leads to an inaccurate prediction of the entering into the air distributor gas flow.

Die Pulsation der Strömung wird angeregt durch die aufeinander folgenden Ansaugereignisse der mit dem Luftsammler verbundenen Zylinder. Diese Anregung versetzt Gassäulen in Rohrleitungen mit ggf. angeschlossenen gasgefüllten Volumina in Schwingungen, wobei die Amplitude und Phasenlage der Schwingungen durch das Eigenschwingungsverhalten der miteinander kommunizierenden schwingungsfähigen Systeme bestimmt wird. Diese Effekte werden seit einigen Jahren gezielt genutzt, um durch variable Geometrien des Luft führenden Systems bei unterschiedlichen Drehzahlen die Luftfüllung der Zylinder zu verbessern. Durch variable Ventilsteuerung ggf. zusätzlich zu variabler Geometrie des Ansaugsystems werden weitere Vorteile bei der Steigerung von Leistung und Drehmoment erzielt.The Pulsation of the flow is stimulated by the successive intake events of the cylinder connected to the air collector. This suggestion offset gas columns in pipes with possibly connected gas-filled volumes in vibration, where the amplitude and phase of the vibrations by the natural vibration behavior the mutually communicating oscillatory systems is determined. These effects have been used selectively for several years to get through variable geometries of the air leading Systems at different speeds, the air filling of Cylinder to improve. By variable valve control, if necessary in addition to Variable geometry of the intake system will add further benefits the increase of power and torque achieved.

Durch die Veränderung der Geometrie des Ansaugsystems und der Ventilbewegung werden Anregung und Eigenschwingungsverhalten, und damit bei gleicher Drehzahl und gleichem mittleren Druck im Ansaugsystem unterschiedliche Amplituden und Phasenlagen der Druckschwankungen bewirkt.By the change The geometry of the intake system and the valve movement become stimulating and Natural vibration behavior, and thus at the same speed and the same mean pressure in the intake system different amplitudes and Phasing the pressure fluctuations causes.

Abhängig von der Öffnung der Drosselklappe und von der Magnitude der im Ansaugsystem angeregten Schwankungen des Drucks und des Volumenstroms wird die Drosselklappe nicht mehr nur in einer Richtung durchströmt, sondern die Strömung kann die Richtung wechseln und wird den durch die teilgeöffnete Klappe reduzierten Querschnitt wiederholt und mit Verlusten behaftet durchfließen. Dieser Effekt bewirkt, dass der Luftvolumenstrom von dem Wert abweicht, der sich ergeben würde, wenn die zeitlichen Mittelwerte der Drücke vor und hinter der Drosselklappe quasistationär, d.h. ohne überlagerte Schwingungen, vorlägen.Depending on the opening the throttle and the magnitude of the excited in the intake system Fluctuations in pressure and volumetric flow become the throttle no longer flows in one direction only, but the flow can change direction and will pass through the partially opened flap reduced cross-section repeated and afflicted with losses. This Effect causes the air flow to deviate from the value that would arise if the time averages of the pressures in front of and behind the throttle quasi-stationary, i.e. without superimposed Vibrations, vorlägen.

Mit steigenden Anforderungen an die Regelungsgenauigkeit des Motorbetriebs wird auch eine zunehmend genauere Bestimmung und Einflussnahme auf den Luftmassenstrom notwendig. Dieser kann mit unterschiedlichen Reaktionszeiten durch Drosselklappen, durch Verstimmung des Eigenschwingungsverhaltens und durch Eingriffe in das Öffnen und Schließen von Einlass- und Auslassventilen beeinflusst werden. Darüber hinaus bietet das Zumischen von zurückgeführtem Abgas aus dem Abgassystem an den Zylinder vorbei eine weitere Möglichkeit in gewissen Grenzen die Zufuhr von Frischluft zu reduzieren.With increasing demands on the control accuracy of the engine operation is also becoming increasingly precise determination and influence on the air mass flow necessary. This one can be different Reaction times through throttle valves, by detuning the natural vibration behavior and by intervening in the opening and closing be influenced by intake and exhaust valves. Furthermore provides the admixing of recirculated exhaust gas from the exhaust system to the cylinder over another option to reduce the supply of fresh air within certain limits.

Die mit diesen Maßnahmen verbundene Abweichung des Durchflussverhaltens der Drosselklappe von ihrer quasistationären Drosselwirkung erschwert eine genaue Bestimmung der pro Arbeitstakt oder Zyklus durchgesetzten Luftmenge und damit auch die Steuerung und Regelung der Gemischqualität und der Abgasemissionen.The with these measures Associated deviation of the flow behavior of the throttle valve from their quasi-stationary Throttling makes it difficult to accurately determine the per stroke or cycle enforced air flow and thus the control and control of the mixture quality and exhaust emissions.

Hinzu kommt, dass die einzelnen Verstellgrößen sich in ihrer Wirkung gegenseitig unterstützen oder schwächen können, d.h. miteinander in Wechselwirkung treten. Eine optimale Steuerung muss diese Wechselwirkungen berücksichtigen, wodurch die Algorithmen sehr aufwendig werden können.in addition comes that the individual Verstellgrößen in their effect mutually support or weaken can, i.e. interact with each other. An optimal control has to consider these interactions, which makes the algorithms very expensive.

Eine Beschreibung dieser Effekte ist auf traditionelle Weise kaum möglich oder erfordert große Rechenleistungen, die eine Anwendung solcher Rechenmodelle in Steuergeräten erschweren.A Description of these effects is hardly possible in the traditional way or requires big Computing services that make it difficult to use such computational models in ECUs.

Maßzahlen für die PulsationMeasures for the pulsation

Der zeitliche Verlauf des Gasdrucks nahe den Einlassventilen gibt wichtige Hinweise auf den Ablauf und Erfolg des Ansaugvorganges. Wie oben beschrieben, ist der dynamische Verlauf des Gasdrucks eine Folge der durch das Eigenschwingungsverhalten der ggf. variablen Ansauganlage verstärkten Strömungspulsation, die durch die aufeinander folgenden Ansaugvorgänge der über die Ansauganlage miteinander kommunizierenden Zylinder angeregt wird. Diese Anregung wird dabei durch das Öffnen und Schließen der Ventile am Zylinder ggf. variabel beeinflusst. Der zeitlich hoch aufgelöste Verlauf des Gasdrucks enthält als Folge von Anregung und Schwingungsverhalten der Ansauganlage charakteristische Merkmale, die den Pulsationszustand des in der Ansauganlage eingeschlossenen Gases eindeutig beschreiben.Of the Time course of the gas pressure near the intake valves are important Information on the course and success of the suction process. As above described, the dynamic course of the gas pressure is a consequence by the natural vibration behavior of the possibly variable intake system increased flow pulsation, through the successive intake of the intake system with each other communicating cylinder is stimulated. This suggestion will be included by opening and closing possibly variably influenced by the valves on the cylinder. The time high resolution History of the gas pressure contains as a result of excitation and vibration behavior of the intake system characteristic features that the pulsation state of in the Clearly describe the intake system of enclosed gas.

- Diskrete Fourier Transformation- Discrete Fourier Transformation

Durch eine schnelle Fourier Transformation („Fast Fourier Transformation" – FFT) lassen sich die Amplituden und Phasenwinkel der Teilschwingungen des Druckverlaufes bei Frequenzen ermitteln, die als Vielfache der durch die Arbeitsspielfrequenz definiert sind. Auf die Arbeitsspielfrequenz normiert bezeichnet man diese Frequenzen als Harmonische, auf die Motordrehzahl normiert heißen diese Frequenzen dann Ordnungen. Da sich infolge der Aufteilung des an sich kontinuierlichen Frequenzbandes in diskrete Intervalle die Energie der Schwingung auf diese diskreten Harmonischen verteilt, wird dieses Vorgehen auch Diskrete Fourier Transformation (DFT) genannt. Eingangsgrößen (der über ein Arbeitsspiel kurbelwinkelaufgelöst abgetastete Druckverlauf) und Ausgangsgrößen (Gleichstromanteil und Amplituden der einzelnen Harmonischen) der DFT sind in z.B. 2 dargestellt.A fast Fourier transformation (FFT) can be used to determine the amplitudes and phase angles of the partial oscillations of the pressure curve at frequencies that are defined as multiples of the working cycle frequency Since the frequency of the oscillation is divided into discrete intervals due to the division of the continuous frequency band into discrete intervals, this procedure is also called discrete Fourier transformation (DFT) crank angle resolved sampled pressure curve) and output variables (DC component and amplitudes of the individual harmonics) of the DFT are in eg 2 shown.

Eine DFT kann auch während des Motorbetriebs durchgeführt werden. Sofern ein Motor mit einem ausreichend schnellen Druckmesssystem ausgerüstet ist, wird eine Berücksichtigung der ermittelten Amplituden also möglich.A DFT can also be during of the engine operation performed become. If an engine with a sufficiently fast pressure measuring system equipped is, is a consideration the determined amplitudes possible.

3 beispielsweise zeigt als Beispiel den gemessenen Druck im Saugrohr eines Vierzylindermotors. Die Grundfrequenz ist durch die Zeit definiert, die die Kurbelwelle für zwei vollständige Umdrehungen benötigt. 3 For example, as an example, shows the measured pressure in the intake manifold of a four-cylinder engine. The fundamental frequency is defined by the time required for the crankshaft to complete two revolutions.

4 stellt die Ergebnisse der DFT des Druckverlaufs aus 3 dar. Die vierte Harmonische weist die größte Amplitude auf und wird hier zur Normierung der Amplituden aller Harmonischen verwendet, erhält damit selbst die Amplitude „1 ". 4 displays the results of the DFT of the pressure curve 3 The fourth harmonic has the largest amplitude and is used here for the normalization of the amplitudes of all harmonics, thus itself receives the amplitude "1".

Durch die Darstellung des dynamischen Druckverlaufs durch die Amplituden seiner Harmonischen wird eine gewisse Reduktion des Datenmaterials gegenüber den Kurbelwinkel aufgelösten Druckmessdaten erreicht. Jedoch ist die Anzahl der so gewonnenen Kenngrößen im Hinblick auf die Verwendung als Eingangsgrößen für kleine kompakte Echtzeit fähige Modelle immer noch recht groß. Eine weitere Komprimierung zu aussagefähigen Kenngrößen ist sinnvoll und kann durch geeignete Auswahl einer begrenzten Anzahl von Harmonischen im unteren Frequenzband erreicht werden, unter denen sich üblicherweise die mit den größten Amplituden finden.By the representation of the dynamic pressure curve through the amplitudes its harmonic becomes a certain reduction of the data material across from the crank angle resolved Pressure measurement data reached. However, the number of won so Characteristics with regard to to use as input to small compact real-time able Models still quite big. Another compression to meaningful parameters is makes sense and can be done by appropriate selection of a limited number be achieved by harmonics in the lower frequency band, below which are usually the ones with the largest amplitudes Find.

- Klirrfaktor- distortion factor

Anstelle des vollständigen Amplituden- und Phasengangs, der sich aus der FFT des stromabwärts der Drosselklappe zeitlich hoch aufgelöst gemessenen Drucks ergibt, lässt sich der Einfluss der dynamischen Strömung auf die Wirkung der Drosselklappe durch die zusätzliche Berücksichtigung der zum Klirrfaktor zusammengefassten Grundwellenamplitude

und den Amplituden der Oberwellen

erfassen, vgl. beispielsweise 5. Dieser beschreibt das Verhältnis der Leistungsspektren der Oberwellen zur Grundwelle und berechnet sich gemäß nachstehender Gleichung:

kann hierbei entweder die Amplitude der 1. Harmonischen der Arbeitsspielfrequenz oder die einer anderen Harmonischen sein, falls diese als wichtigster Informationsträger anzusehen ist.Instead of the complete amplitude and phase response, which results from the FFT of the pressure measured at high speed downstream of the throttle valve, the influence of the dynamic flow on the effect of the throttle valve can be determined by the additional consideration of the basic wave amplitude combined to the harmonic distortion factor

and the amplitudes of the harmonics

capture, cf. for example 5 , This describes the ratio of the power spectra of the harmonics to the fundamental and is calculated according to the following equation:

This can be either the amplitude of the 1st harmonic of the working cycle frequency or that of another harmonic, if this is to be regarded as the most important information carrier.

Ohne die Anwendung darauf einzuschränken, ist für die Bewertung von Flussgrößen wie z.B. Strömungsgeschwindigkeit und Massenstrom eine alternative Formulierung des Klirrfaktors unter Einbezug der Energie des Gleichstromanteils

besonders aussagekräftig:

Without limiting it to the application, for the evaluation of flow quantities such as flow velocity and mass flow, an alternative formulation of the harmonic distortion factor is included, taking into account the energy of the DC component

particularly meaningful:

Bei Annäherung an den Wert Eins ist von einer zunehmenden Häufigkeit von Richtungswechseln der pulsierenden Strömung auszugehen, bei kleinen Werten nahe Null dagegen fließt die Strömung praktisch ausschließlich in einer Richtung, oder sie ruht. Im Folgenden wird der Begriff „Klirrfaktor" ohne weitere Einschränkung für beide Formelansätze verwendet.at approach at the value one is of an increasing frequency of directional changes the pulsating flow but at low values close to zero the flow is practically flowing exclusively in one direction or she is resting. The following is the term "harmonic distortion" without further limitation for both formula approaches used.

Ausgehend von gemessenen oder durch Modellrechnungen ermittelten hoch aufgelösten Druckverläufen und deren mittels Diskreten Fourier Transformation ermittelten Amplituden der einzelnen Harmonischen kann durch den Klirrfaktor also die Gesamtheit der mit der DFT ermittelten Daten zu einer Kennzahl zusammengefasst werden, vgl. zum Beispiel unten 9.Based on measured or calculated by model calculations high-resolution Druckver Runs and their determined by discrete Fourier transform amplitudes of the individual harmonics can be summarized by the harmonic distortion so the totality of the data determined by the DFT to a ratio, see. for example below 9 ,

Ist für die Regelung des Gasstroms eine entsprechende Messtechnik vorhanden, so kann durch diskrete Fourier Transformation und anschließende Bestimmung des Klirrfaktors für die Regelung eine einzige statt einer großen Anzahl von Kennzahlen bereitgestellt werden, wodurch sich die Regelungsalgorithmen vereinfachen. Auch ohne DFT ist durch entsprechende Messgeräte die unmittelbare Wandlung des dynamischen Messsignals (Druck oder Geschwindigkeit des Gases) in den Klirrfaktor möglich.is for the Regulation of the gas flow a corresponding measurement technology available, so can by discrete Fourier transformation and subsequent determination of the distortion factor for the scheme provided a single rather than a large number of key figures which simplifies the control algorithms. Also without DFT, direct conversion is possible through appropriate measuring devices the dynamic measuring signal (pressure or velocity of the gas) in the harmonic distortion possible.

Ohne solche Messtechnik müssen das hochaufgelöste Druck- oder Geschwindigkeitssignal, oder die Amplituden der Harmonischen oder gleich der Klirrfaktor durch ein Modell, einen sogenannten virtuellen Sensor, ermittelt werden, um die Dynamik des Strömungsvorgangs zu klassifizieren.Without need such measurement technology the high resolution Pressure or velocity signal, or the amplitudes of the harmonics or equal to the harmonic distortion of a model, a so-called virtual sensor, to be determined to the dynamics of the flow process to classify.

Ein Modell für den Klirrfaktor, vgl. 6, kann parametriert werden, indem die maßgeblichen Einflussgrößen für die Pulsation, Kurbelwellendrehzahl des Motors (n_kw), die Stellungen schaltender Elemente und eventuell kontinuierlich verstellbare Geometriegrößen im Ansaugsystem sowie die Stellgrößen einer eventuell vorhandenen variablen Ventilsteuerung mit dem Klirrfaktor korreliert werden, der sich aus dem im Zuge der Applikation gemessenen Druckverlauf im Ansaugsystem ergibt.A model for the harmonic distortion, cf. 6 , can be parameterized by the relevant factors for the pulsation, crankshaft speed of the engine (n _kw ), the positions of switching elements and possibly continuously adjustable geometry sizes in the intake system and the variables of a possibly existing variable valve timing are correlated with the harmonic distortion, resulting from the in the course of the application measured pressure curve in the intake system results.

Ein solcher mehrdimensionaler Zusammenhang lässt sich besonders effizient durch ein statisches neuronales Netz (SNN) darstellen. Im Zuge der Applikation werden die Modellkonstanten („Gewichte") dieses Neuronalen Netzes durch einen Trainingsalgorithmus gezielt dahingehend verändert, dass die Abweichung des vom Modell in Abhängigkeit seiner Eingangsgrößen ausgegebene Wert des Klirrfaktors von dem aus den Messdaten ermittelten Wert minimal wird.One such a multi-dimensional context can be particularly efficient through a static neural network (SNN). In the course of Application, the model constants ("weights") of this neural network by a Training algorithm modified to the effect that the deviation of the depending on the model its input variables Value of the distortion factor of the value determined from the measured data becomes minimal.

7 zeigt ein Training eines Klirrfaktormodells unter Verwendung eines neuronalen Netzes. 7 shows a training of a distortion factor model using a neural network.

Das neuronale Netz wird also im Verlauf des Trainings so parametriert, dass es die beobachteten Kombinationen von Eingangsgrößen und zugehörigem Klirrfaktor möglichst gut approximiert und dazwischen glatte Übergänge liefert. Man spricht dann auch von einem neuronalen Approximator.The neural network is thus parameterized in the course of the training, that it is the observed combinations of input quantities and associated Distortion factor as possible well approximated and provides smooth transitions between them. One speaks then also of a neural approximator.

Für die Regelung der Gasströmung als Prozesses wird dann eine Fortsetzung des Trainingsprozesses durch permanente Vorgabe eines Fehlers von Null unterbunden (vgl. beispielsweise 8). 8 zeigt einen Einsatz eines Klirrfaktormodells unter Verwendung eines neuronalen Netzes mit deaktiviertem Trainingsprozess.For the regulation of the gas flow as a process, a continuation of the training process is then prevented by permanent specification of an error of zero (cf., for example 8th ). 8th shows a use of a distortion factor model using a neural network with a disabled training process.

Für schnelle Änderungen der Drehzahl und/oder der Einstellgrößen der Strömungsregelung kann es zu Verzögerungen beim Einschwingen der Gassäulen und des gesamten Prozesses kommen. Wenn die dadurch entstehenden Abweichungen für die Regelung bedeutsam sind, ist anstelle eines statischen neuronalen Approximators die Verwendung eines dynamischen neuronalen Approximators möglich, bei dem zusätzlich zu den aktuellen Werten der Eingangsgrößen des statischen neuronalen Netzes auch deren Vorgeschichte und/oder zurückliegende Werte des Klirrfaktors als zusätzliche Eingangsgrößen Berücksichtigung finden.For quick changes The speed and / or the flow control settings may cause delays when settling the gas columns and the whole process. When the resulting Deviations for the control is significant, is instead of a static neural approximator the use of a dynamic neural approximator possible at in addition to the current values of the input variables of the static neural Netzes also their history and / or past values of the harmonic distortion as additional Input variables considered Find.

- Standardabweichung, Root Mean Square, Varianz- standard deviation, Root Mean Square, variance

Neben dem Klirrfaktor und den Amplituden der einzelnen Harmonischen und dem Gleichstromanteil (Mittelwert) kann die pulsierende Strömung bzw. der Gasdruck durch statistische Maßzahlen wie die Standardabweichung, Effektivwert und Varianz beurteilt werden. Dabei ist zu beachten, dass diese für Druck und Geschwindigkeit deutlich unterschiedliche Wertebereiche ergeben, was sich durch die deutlich unterschiedlichen Mittelwerte erklären lässt.Next the harmonic distortion and the amplitudes of the individual harmonics and the DC component (mean), the pulsating flow or the gas pressure through statistical measures like the standard deviation, RMS and variance are assessed. It should be noted, that this for Pressure and speed significantly different value ranges result, which is reflected by the significantly different mean values to explain leaves.

Auch für diese Maßzahlen gilt, dass sie analog zum Vorgehen beim Klirrfaktor durch ein Modell erzeugt werden können, wenn im Regelkreis die benötigten Sensoren nicht vorhanden sind.Also for this metrics is true that they are analogous to the procedure for harmonic distortion by a model can be generated if in the control loop the needed Sensors are not available.

Stellvertertend für die möglichen Maßzahlen zur Beurteilung der pulsiernden Gasdrücke und Strömungen soll im weiteren Verlauf der Klirrfaktor genannt werden.Stellvertertend for the potential metrics to assess the Pulsiernden gas pressures and currents should in the further course the harmonic distortion factor.

Pulsationskorrektur der DrosselklappenwirkungPulsation correction of butterfly effect

Der Klirrfaktor kann entweder über eine geeignete Funktion zur Korrektur des auf konventionelle Weise vorhergesagten Drosselklappen-Luftstroms (vgl. beispielsweise 9) verwendet werden oder gleich als zusätzliche Eingangsgröße eines mehrdimensionalen mathematischen Modells des Drosselklappen-Luftstroms dienen. Reicht der Klirrfaktor als alleinige Maßzahl zur Beschreibung der Pulationseffekte aus, so ist der in beispielsweise 9 dargestellte Pulsationskorrekturfaktor nur noch eine eindimensionale Funktion. Diese kann durch ein Polinom, ein neuronales Netz oder ein anderes Approximationsverfahren dargestellt und mit Messdaten parametriert werden.The harmonic distortion can either be via a suitable function to correct the conventionally predicted throttle airflow (see, for example, US Pat 9 ) or immediately serve as an additional input to a multi-dimensional mathematical model of throttle airflow. If the harmonic distortion is the sole measure for describing the effects of pulation, then the example in 9 Pulsation correction factor shown only a one-dimensional function. This can be represented by a polynomial, a neural network or another approximation method and parameterized with measured data.

9 zeigt ein erweitertes Drosselklappen-Luftstrommodell mit Berücksichtigung des Klirrfaktors, hier als Eingang einer Pulsations-Korrekturfunktion. 9 shows an extended throttle airflow model with consideration of the harmonic distortion, here as the input of a pulsation correction function.

10 zeigt ein erweitertes Drosselklappen-Luftstrommodell mit Berücksichtigung des Klirrfaktors, hier als zusätzlicher Eingang eines neuronalen Netzes. 10 shows an extended throttle airflow model with consideration of the harmonic distortion, here as an additional input of a neural network.

Wie bereits erwähnt kann der Klirrfaktor durch Auswertung von Sensorgrößen in der Regelstrecke oder durch ein Modell erzeugt werden. Bei einer Modellstruktur wie in beispielsweise 9 kann das Modell des Drosselklappenluftmassenstroms rein quasistationär ausgeführt werden, die pulsationsbedingten Abweichungen werden in der vom Klirrfaktor abhängigen Korrekturfunktion erfasst.As already mentioned, the harmonic distortion can be generated by evaluating sensor variables in the controlled system or by a model. For example, in a model structure 9 the model of the throttle air mass flow can be carried out purely quasi-stationary, the pulsation-related deviations are detected in the distortion-dependent correction function.

Die Nutzbarkeit des Ansatzes wird durch 11 verdeutlicht.The usability of the approach is through 11 clarified.

11 zeigt einen Einfluss der Verstellung der Ventilsteuerzeiten auf den Klirrfaktor und den Luftmassenstrom durch die Drosselklappe. 11 shows an influence of the adjustment of the valve timing on the harmonic distortion and the mass air flow through the throttle.

In obiger Darstellung wird bei konstanter Motordrehzahl und Drosselklappenstellung der Phasensteller der Nockenwelle betätigt, wodurch sich eine Änderung des Luftmassenstroms durch die Drosselklappe ergibt.In above illustration is at constant engine speed and throttle position actuates the phaser of the camshaft, causing a change the air mass flow through the throttle results.

Der Mittelwert des Drucks spiegelt diese Änderung nicht wieder, der Klirrfaktor zeigt aber deutliche Unterschiede der Pulsationshaltigkeit des Druckverlaufs an.Of the Mean value of the pressure does not reflect this change, the harmonic distortion But shows significant differences in the pulsation of the pressure curve at.

Durch Anwendung der Klirrfaktor-Korrekturfunktion kann der Massenstrom durch die Drosselklappe nachgebildet werden.By Application of the harmonic distortion correction function can be the mass flow be simulated by the throttle.

Typischerweise treten Pulsationseffekte besonders bei weit geöffneter Drosselklappe und damit bei kleineren Druckdifferenzen über die Drosselklappe auf. Der Gleichstromanteil der Strömungsgeschwindigkeit im engsten Querschnitt ist damit ungleich geringer als bei großen Druckdifferenzen, z.B. bei Teillast. Schwankungen der Strömungsgeschwindigkeit können daher schneller zu einer wiederholten zeitweisen Strömungsumkehr und den damit verbundenen Seiteneffekten führen als bei weiter geschlossener Klappe.typically, Pulsation effects occur especially at wide open throttle and thus at smaller pressure differences over the throttle on. The DC component of the flow velocity in the narrowest cross-section is thus much lower than for large pressure differences, e.g. at partial load. Fluctuations in the flow rate can therefore faster to a repeated temporary flow reversal and the associated Side effects lead as with further closed flap.

Reduktion der Dimensionen der Funktion im ZylinderluftmengenmodellReduction of dimensions the function in the cylinder air quantity model

Während für Motoren mit invariablen Ansaugsystemen und invariabler Ventilsteuerung Mittelwerte von Luftdruck und -temperatur sowie die Motordrehzahl ausreichen, um das vom Motor angesaugte Gasvolumen zu ermitteln, kommen nun bei Motoren mit variablen Ansaugsystemen und Ventilsteuerungen Amplituden- und ggf. Phasengang der Druckpulsation als charakteristische Größen hinzu. Diese zusätzlichen Eingangsgrößen für das Modell des angesaugten Gasvolumens können unterschiedlich umfangreich berücksichtigt werden. Im Interesse einer geringen Zahl von Eingangsgrößen reicht es oft aus, nur einige niederfrequente Anteile, z.B. die unteren drei bis vier Harmonischen der Grundfrequenz zu verwenden. Eine noch kompaktere Form des Modells ergänzt Luftverteilerdruck (Mittelwert p_Saug, Kurbelwinkel aufgelöst p_Saug (φ)), Lufttemperatur (ϑ_Saug) und die Drehzahl der Kurbelwelle des Motors (n_KW) nur noch den Klirrfaktor, der die Amplituden der Schwingungsformen zu einer Maßzahl verdichtet.While air intake pressure, temperature, and engine speed averages are sufficient to determine the volume of gas drawn by the engine for engines with variable intake systems and variable valve timing, amplitude and, if applicable, phase pressure pulsation are the characteristic variables for engines with variable intake systems and valve controls , These additional input variables for the model of the intake gas volume can be taken into account to varying degrees. In the interest of a small number of input variables, it is often sufficient to use only a few low-frequency components, for example the lower three to four harmonics of the fundamental frequency. An even more compact form of the model complements air distributor pressure (mean p _suction , crank angle resolved p _suction (φ)), air temperature (θ _suction ) and the speed of the crankshaft of the engine (n _KW ) only the harmonic distortion, the amplitudes of the waveforms to one Measured density.

Die funktionale Abbildung des mehrdimensionalen Eingangsraumes auf den vom Motor angesaugten Gasstrom geschieht zweckmäßigerweise, aber nicht zwingend, mit einem künstlichen neuronalen Netz.The functional mapping of the multidimensional input space on the The gas flow sucked in by the engine is expediently, but not necessarily, with an artificial one neural network.

12 zeigt ein Modell zur Berechnung des Luftmassenstroms aus dem Luftverteiler. 12 shows a model for calculating the air mass flow from the air manifold.

Im Falle von externer Abgasrückführung ist der beschriebene Modellaufbau nicht für den Luftmassenstrom sondern anstelle dessen für einen Gasvolumenstrom aus dem Luftverteiler in die Zylinder vorzunehmen. Nach Multiplikation mit der Dichte des Gases im Sammler und nach Abzug des Anteils des zurückgeführten Abgases im Luftverteiler ergibt sich die gesuchte Luftmasse, die von den Zylindern angesaugt wird.in the Case of external exhaust gas recirculation is the described model construction not for the air mass flow but instead of for to make a gas volume flow from the air distributor in the cylinder. To Multiplication with the density of the gas in the collector and after deduction the proportion of recirculated exhaust gas in the air distributor results in the sought air mass, which of the Cylinders is sucked.

Einsatz des pulsationskompensierten LuftmassenstrommodellsUse of the pulsation compensated Air mass flow model

Ein solches Luftpfadmodell kann einerseits dazu verwendet werden, um wie beschrieben auf Grundlage der momentanen Einstellgrößen gemeinsam mit Druck, Temperatur und Mischungszustand im Saugrohr sowie der Motordrehzahl die aktuell oder in nächster Zukunft angesaugte Luftmenge zu bestimmen und damit den Zylindern eine geeignete Kraftstoffmenge zumessen zu können. Zusätzlich kann die invertierte Funktion dazu genutzt werden, gezielt die Einflussgrößen des angesaugten Volumens zu verstellen, um eine dem Zielwert des Drehmoments angemessene Luftmenge einzustellen.One such air path model can be used on the one hand to as described in common based on the current set sizes with pressure, temperature and mixing state in the intake manifold and the Engine speed The current or future intake of air to determine and thus the cylinders a suitable amount of fuel to be able to eat. additionally the inverted function can be used to selectively influence the parameters of the sucked volume to adjust to the target value of the torque to adjust the appropriate amount of air.

Ausweitung des Verfahrens auf Anwendung für z.B. AbgasrückführventileExtension of the procedure on application for e.g. Exhaust gas recirculation valves

Analog zum Vorgehen bei der Korrektur des Luftstroms durch die Drosselklappe kann die Abweichung des Drosselverhaltens durch pulsierende Strömung auch für andere Ventile verwendet werden, welche Gasströme regeln, z.B. Abgasrückführventile. So lässt sich bei geeigneter Abstimmung eine genauere Steuerung der Abgasrückführrate erreichen, und ein bei steigenden Genauigkeitsanforderungen notwendiger Sensor für die Kohlendioxid-Konzentration kann ggf. vermieden werden.Analogous on how to correct the airflow through the throttle The deviation of the throttle behavior by pulsating flow can also for others Valves are used which regulate gas flows, e.g. Exhaust gas recirculation valves. So lets to achieve a more accurate control of the exhaust gas recirculation rate with appropriate coordination, and a sensor required for increasing accuracy requirements for the Carbon dioxide concentration can be avoided if necessary.

Verfahren zur Berücksichtigung des Pulsationseinflusses auf MischungsvorgängeProcedure for consideration the pulsation influence on mixing processes

Die Pulsation der Strömung hat weiterhin einen Einfluss auf die Vermischung von Gasen in der Abgasstrecke. Davon hängt wiederum ab, wann, wie eindeutig und ob überhaupt durch Sensoren im Abgas erfasste Größen, wie z.B. die Gemischqualität, sich einem vorherigen Betriebszustand einzelner Zylinder zuordnen lassen. Durch die Bewertung des Spektrums der Strömungspulsation (Druck und/oder Strömungsgeschwindigkeit), ggf. in verdichteter Form unter Verwendung des Klirrfaktors, können durch Mischungseffekte beeinflusste Signalabstände und Totzeiten des Regelkreises im Verlauf der Applikation bestimmt und bei der Auslegung von Regelfunktionen berücksichtigt werden.The Pulsation of the flow has an influence on the mixing of gases in the atmosphere Exhaust system. It depends turn off, when, how clearly and if at all by sensors in the Exhaust gas detected variables, such as e.g. the quality of the mixture, to associate with a previous operating state of individual cylinders to let. By evaluating the spectrum of flow pulsation (Pressure and / or flow rate), possibly in a condensed form using the harmonic distortion, can by Mixture effects influenced signal intervals and dead times of the control loop determined in the course of the application and in the interpretation of control functions considered become.

Verfahren zur Berücksichtigung des Pulsationseinflusses auf Zweiphasen-StrömungenProcedure for consideration the pulsation influence on two-phase currents

Durch die Pulsation der Gassäule im Einlasssystem von Motoren mit Saugrohreinspritzung wird auch der Aufbau und die Verteilung von Kraftstoff beeinflusst, der sich nach der Einspritzung an der Wand niederschlägt. Da die von der Gasströmung auf die Flüssigkeitsoberfläche ausgeübten Reibungskräfte den Flüssigkeitsfilm in Bewegung setzen, wirken sich die gegenüber dem Mittelwert überhöhten Spitzen der Gasgeschwindigkeit dahingehend aus, dass sich die vom Wandfilm benetzte Rohroberfläche schneller ausbreitet als dies dem Mittelwert der Gasgeschwindigkeit entspricht. Physikalisch basierte Modelle benötigen aber diese Information der benetzten Fläche, da sie ein wichtiger Parameter für die Verdampfungsrate des Wandfilms ist. Ein Verfahren zur Regelung der Kraftstoffeinspritzung, das auf einem solchen Wandfilmmodell basiert, gewinnt durch die Berücksichtigung der Pulsationseffekte in Form des Klirrfaktors erheblich an Genauigkeit. Sofern auswertbare Informationen über die instationäre Strömungsgeschwindigkeit des Gases im Bereich der benetzten Wände vorliegen, bietet sich hier die Anwendung des Klirrfaktors auf die Strömungsgeschwindigkeit besonders an. Ersatzweise kann aber auch der pulsierende Druck in der näheren Umgebung ausgewertet werden.By the pulsation of the gas column in the intake system of engines with intake manifold injection is also the Structure and distribution of fuel is affected, which varies the injection on the wall precipitates. Because of the gas flow up the fluid surface exerted frictional forces the liquid film set in motion, affect the opposite of the mean excessive peaks the gas velocity from that of the wall film wetted pipe surface spreads faster than the mean of the gas velocity equivalent. Physically based models need this information the wetted area, as they are an important parameter for the evaporation rate of the wall film is. A method of regulation fuel injection based on such a wall film model based, wins by the consideration the pulsation effects in terms of harmonic distortion significantly in accuracy. If evaluable information about the transient flow velocity of the gas in the area of the wetted walls, offers itself here the application of harmonic distortion on the flow velocity especially at. Alternatively, however, can also be the pulsating pressure in the vicinity be evaluated.

Über die Verwendung eines wie oben geschilderten Faktors gelingt es somit beispielsweise, alle pulsationsbeeinflussenden Stellgrößen zusammenfassen zu können.About the Use of a factor as described above thus succeeds For example, summarize all pulsation-influencing variables to be able to.

Das oben dargestellte Beispiel für die an der Drosselklappe beobachteten Pulsationseinflüsse ist jedoch nicht die einzige Anwendungsmöglichkeit der Regelung. Beispielsweise können die Luftmassenströme vom Verteiler in die Zylinder ebenfalls so geregelt werden, insbesondere unter Berücksichtigung der Verhältnisse an AGR-Ventilen und Drosselklappen.The above example for is the pulsation observed at the throttle but not the only application of the scheme. For example can the air mass flows from Distributor in the cylinder also be regulated so, in particular considering the circumstances on EGR valves and throttle valves.

Ein weiteres Beispiel zur Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend näher beleuchtet.One another example for explanation The invention will be described in more detail below illuminated.

Mit diesem Beispiel wird ein Ansatz dargestellt, in dem ein Verfahren zur Bewertung des Einflusses pulsierender Gasströme im Saugrohr zur Berücksichtigung des Einflusses variabler Verschiebung der Profile auf der Nockenwelle dargestellt und am Beispiel des Kaltstart- und Warmlaufverhaltens eines Referenzmotors mit erweiterter Ventiltrieb-Variabilität verifiziert wurde.With This example presents an approach in which a method to evaluate the influence of pulsating gas flows in the intake manifold for consideration the influence of variable displacement of the profiles on the camshaft illustrated and the example of the cold start and warm-up behavior a reference engine with extended valve train variability has been verified.

Die Messungen wurden mit einem 1,6 Liter Ottomotor durchgeführt, der auf einem hochdynamischen Motorenprüfstand betrieben wurde. Hierbei konnten für die ersten Untersuchungen Kaltstarts bei 20°C durchgeführt werden. Auch der gesamte Warmlauf bis zur Betriebstemperatur wurde sowohl von einer autonomen, PC-basierten Messanordnung als auch von einem ETK-Steuergerät und den Messmöglichkeiten der Applikationstools INCA(R) aufgezeichnet.The Measurements were carried out with a 1.6 liter gasoline engine, the was operated on a highly dynamic engine test bench. in this connection could for the first investigations cold launches are carried out at 20 ° C. Also the whole Warm up to operating temperature was both from an autonomous, PC-based Measuring arrangement as well as from a ETK control unit and the measurement options of the application tools INCA (R).

Basierend auf zuvor im Freiland durchgeführte Fahrzeug-Kaltabfahrten mit einem großvolumigeren und leistungsstärkeren Motor, wurden diese Fahrprofile auf die Verhältnisse am Motorenprüfstand und auf den anderen Prüfling geeignet angepasst.Based previously performed in the field Vehicle cold runs with a larger and more powerful engine, These driving profiles were based on the conditions on the engine test bench and to the other examinee suitably adapted.

Hierbei wurden sowohl Sollverläufe für den n/M-Betrieb (Vorgabe der Drehzahl und des Drehmomentes) als auch für den α/n-Betrieb (Vorgabe der Fahrpedalposition und der Drehzahl) generiert.in this connection were both Sollverläufe for the n / M operation (specification of speed and torque) as well for α / n operation (Specification of accelerator pedal position and speed) generated.

Der verwendete Motor weist eine Vielzahl von Variabilitäten auf, z.B. im Bereich des Ansaugsystem, z.B. eine Abgasrückführung. Mögliche weitere Variabilitäten sind im Luftpfad, im Ventilhub (Nockenwelle), Ventilphase (Nockenwelle), Schaltsaugrohr, Ladungsklappe.Of the used engine has a variety of variabilities, e.g. in the area of the intake system, e.g. an exhaust gas recirculation. Possible more variabilities are in the air path, in the valve lift (camshaft), valve phase (camshaft), Variable intake manifold, cargo flap.

Da es sich bereits im Vorfeld abgezeichnet hat, dass die Messung des Saugrohrdrucks an zentraler Lage im Sammler, aufgrund der Überlagerung verschiedener Zylinder zu wenig detaillierte Information bietet, wurden die Drucksensoren unmittelbar vor den jeweiligen Einspritzventilen der einzelnen Zylinder positioniert.There it has already emerged in advance that the measurement of the Intake manifold pressure at a central location in the collector, due to the overlay different cylinders to provide little detailed information were the pressure sensors immediately in front of the respective injectors the individual cylinder positioned.

Die in 13 dargestellte Grundstruktur des Funktionsblocks echtzeitfähiges Luftpfadmodell basiert häufig verwendeten Saugrohr-Behältermodellansatz, d.h. auf der Füll- und Entleermethode von Behältern. Hierbei wird die Druckänderung im Saugrohrvolumen aus den Luftmassenströmen berechnet, welche durch die Drosselklappe zu- und zu den Zylindern hin abfließen. Aufgrund der physikalisch motivierten Grundstruktur, steht mit dem parametrierten Funktionsblock ein Simulationsmodell zur Verfügung, welches neben dem Luftmassenfluss durch die Drosselklappe zusätzlich die virtuellen Sensorsignale Saugrohrdruck und Luftmassenfluss in die Zylinder bereitstellt. Wiederum konnte durch den Einsatz statischer neuronaler Netze (SNN) zur Nachbildung der einzelnen Massenströme insbesondere die Simulationsstabilität und damit die Implementierbarkeit als echtzeitfähiges Modell sichergestellt werden.In the 13 The illustrated basic structure of the function block real-time air path model is based on commonly used intake manifold vessel model approach, ie on the filling and emptying method of containers. In this case, the pressure change in the intake manifold is calculated from the air mass flows, which flow through the throttle valve and out to the cylinders. Due to the physically motivated basic structure, the parameterized function block provides a simulation model which, in addition to the air mass flow through the throttle valve, additionally provides the virtual sensor signals intake manifold pressure and air mass flow into the cylinders. In turn, the use of static neural networks (SNN) to simulate the individual mass flows ensured in particular the simulation stability and thus the implementability as a real-time model.

Durch die Rückkopplung des Saugrohrdrucks als Eingang der Massenstrom-Berechnungen und in Kombination mit der zeitlichen Integration entsteht eine dynamische Struktur, die in der Lage ist, eine verzögerte Reaktion der Verbrennungsluftmenge – beispielsweise hervorgerufen durch eine plötzliche Änderung der Drosselklappenstellung – geeignet zu berücksichtigen. Basierend auf der idealen Gasgleichung

kann das dynamische Verhalten des Luftpfads mit einer Differenzengleichung

geeignet nachgebildet werden. Mit dieser Modellstruktur wird ein so genanntes „Mittelwertmodell"-Verhalten erreicht, wobei die zeitliche Auflösung, d.h. die Abtastzeit Δt so gewählt wurde, dass Schwankungen während eines Arbeitsspiels des Motors gemittelt werden. Dieses bedingt, dass dem Modell auch eingangsseitig nur jeweils über ein Arbeitsspiel gemittelte Werte zuzuführen sind.By the feedback of the intake manifold pressure as input of the mass flow calculations and in combination with the temporal integration creates a dynamic structure that is able to take into account a delayed reaction of the amount of combustion air - caused for example by a sudden change in the throttle position - suitable. Based on the ideal gas equation

can the dynamic behavior of the air path with a difference equation

be simulated suitable. With this model structure, a so-called "average model" behavior is achieved, wherein the temporal resolution, ie the sampling time Δt was chosen so that fluctuations during a working cycle of the engine are averaged.This requires that the model on the input side only one work cycle average values are to be supplied.

Zur Berücksichtigung der Ventiltrieb-Variabilität wurden dem Modell weitere Eingänge hinzugefügt.to consideration the valve train variability the model got more inputs added.

Wie zuvor erläutert, konzentrieren sich die nachfolgenden Betrachtungen auf die Verstellung des Öffnungs- bzw. Schließwinkel der Einlassventile und somit auf die Variabilität Nockenwellen-Shift α_NW.As explained above, the following considerations focus on the adjustment of the opening or closing angle of the intake valves and thus on the variability camshaft shift α _NW .

13 zeigt ein Luftpfad-Behältermodell mit Berücksichtigung des Einflusses der Ventiltrieb-Variabilität. 13 shows an air path container model taking into account the influence of the valvetrain Variabili ty.

In den nachfolgenden Abschnitten werden Drosselklappenmodell sowie die Realisierung der einzelnen Teilmodelle detailliert betrachtet.In The following sections will be throttle model as well The realization of the individual submodels is considered in detail.

Drosselklappenmodellthrottle model

Eine primäre Teilkomponente des in Bild #1 dargestellten modularen Luftpfadmodells stellt die Nachbildung des Luftmassenstroms durch die Drosselklappe dar. Basierend auf grundsätzlichen Überlegungen gelangt man zunächst zum Schluss, dass der Luftmassenstrom ṁ_Luft,DK allein in Abhängigkeit der Eingänge
Drosselklappenposition α_DK,
Ansauglufttemperatur ϑ_Ans und
Saugrohrdruck p_Saug
nachgebildet werden kann. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass nur bei hinreichend detaillierter Betrachtung, in diesen Eingangsgrößen sämtliche Informationen zu den Strömungsverhältnissen im Saugrohr enthalten sind. D.h. die Einflüsse von Kolbengeschwindigkeit, Ventiltrieb-Variabilitäten und sonstigen, das Saugrohrvolumen oder die Luftzusammensetzung beeinflussende Maßnahmen, mit denen der Schwingkreis Saurohr verstimmt werden kann, sind nur im zeitlich und räumlich hoch aufgelösten Saugrohrdrucksignal enthalten.A primary subcomponent of the modular air path model shown in Figure # 1 is the simulation of the air mass flow through the throttle valve. Based on fundamental considerations, one first concludes that the air mass flow ṁ _{air, DK} alone depends on the inputs
Throttle position α _DK ,
Intake air temperature θ _Ans and
Intake manifold pressure p _suction
can be reproduced. However, it should be noted that only with sufficiently detailed consideration, in these input variables, all information on the flow conditions in the intake manifold are included. That is, the influences of piston speed, valve train variability and other, the intake manifold volume or the air composition affecting measures with which the resonant circuit can be detuned Saurohr are included only in temporally and spatially high-resolution intake manifold pressure signal.

Da dem Modell definitionsgemäß nur im Arbeitsspiel gemittelte Werte zugeführt werden, muss die fehlende Information durch die zusätzlichen Eingänge
Motordrehzahl n_KW und
Nockenwellen-Shift α_NW
eingebracht werden.Since by definition only averaged values are supplied to the model in the working cycle, the missing information must be provided by the additional inputs
Engine speed n _KW and
Camshaft shift α _NW
be introduced.

Die obigen Betrachtungen werden auch durch die in 14 und 15 dargestellten Messungen bestätigt. Trotz annähernd konstanter Eingänge [α_DK ϑ_Ans P_Saug] und Drehzahl n_KW variiert der Luftmassenfluss dm_Luft,DK/dt im Bild #3 um ± 5 kg/h, d.h. um über 4 %. Im zugehörigen Verlauf Nockenwellen-Shift α_NW wird die Verstellung des Öffnungs- bzw. Schließwinkel der Einlassventile während der Messung dargestellt, wodurch offensichtlich die Veränderung des Luftmassenflusses ṁ_Luft,DK hervorgerufen wird.The above considerations are also supported by the in 14 and 15 confirmed measurements confirmed. Despite nearly constant inputs [α _DK θ _Ans P _suction ] and speed n _KW , the air mass flow dm _{air, DK} / dt in picture # 3 varies by ± 5 kg / h, ie by more than 4%. In the accompanying camshaft shift α _NW the adjustment of the opening or closing angle of the intake valves during the measurement is shown, which evidently causes the change in the air mass flow ṁ _{air, DK} .

Im Bild #4 wurden hingegen die Eingänge [α_DK ϑ_Ans P_Saug] sowie die nominale Nockenwellen-Shift α_NW annähernd konstant gehalten. Die geringfügigen Schwankungen der Saugrohrdruckmittelwerte um ± 5 mbar im oberen Bereich, d.h. bei Umgebungsbedingungen, sind vom Rauschen so stark überlagert, dass eine allein hierauf basierende Nachbildung des Luftmassenflusses ṁ_Luft,DK nur unzureichende Ergebnisse liefern würde. Dagegen kann aus dem ursächlichen Verlauf der Drehzahlmittelwerte unmittelbar auf die Luftmassenflussänderungen geschlossen werden. Die zweimal durchgeführte Erhöhung der Drehzahl n_KW um jeweils 600 min^–1 führt zu:

In Figure # 4, however, the inputs [α _DK θ _Ans P _Suction ] and the nominal camshaft shift α _{NW were kept} approximately constant. The slight fluctuations of the intake manifold pressure values by ± 5 mbar in the upper range, ie at ambient conditions, are so strongly superimposed by the noise that a simulation of the air mass flow ṁ _{air, DK} based on this alone would only yield insufficient results. By contrast, it can be concluded directly from the causative course of the speed average values on the air mass flow changes. The twice performed increase of the speed n _KW by 600 min ^-1 leads to:

Hieraus wird ersichtlich, dass bei der Nachbildung des Luftmassenstroms durch die Drosselklappe auf die zusätzlichen Eingänge n_KW und α_NW nicht verzichtet werden kann.It can be seen that in the simulation of the air mass flow through the throttle valve on the additional inputs n _KW and α _NW can not be waived.

Im jeweils unteren Diagramm in Bild #3 und Bild #4 sind die Verläufe des synchron ermittelten Klirrfaktors F_Klirr dargestellt. Hierbei wurde individuell für jedes Arbeitsspiel eine Bestimmung dieses Faktors durchgeführt, ausgehend vom zeitlich hoch aufgelöst gemessenen Saugrohrdruckverlauf in diesem Zyklus. Die Hintergründe hierzu werden im Folgenden detailliert erläutert.In the respective lower diagram in picture # 3 and picture # 4 the progressions of the synchronously determined distortion factor F _distortion are shown. In this case, a determination of this factor was carried out individually for each working cycle, starting from the high-resolution intake manifold pressure curve measured in this cycle. The background to this will be explained in detail below.

14 zeigt, dass eine Variation des Luftmassenfluss dm_Luft,DK/dt bei annähernd konstanten Eingängen [α_DK ϑ_Ans P_Saug] sowie Drehzahl n_KW offensichtlich von der Nockenwellen-Shift α_NW verursacht wird, deren Auswirkung sich weiterhin eindeutig mittels Frequenzanalyse des Saugrohrdrucksignals, bzw. aus dem Klirrfaktor F_Klirr bestimmen lässt. 14 shows that a variation of the air mass flow dm _{air, DK} / dt at approximately constant inputs [α _DK θ _Ans P _suction ] and speed n _{KW is} obviously caused by the camshaft shift α _NW , the effect of which continues unambiguously by means of frequency analysis of the intake manifold pressure signal, or from the harmonic distortion F can determine _distortion .

15 zeigt, dass sich hier als zusätzlicher Eingang des Drosselklappenmodells die Motordrehzahl n_KW aufdrängt, da bei Umgebungsbedingungen allein mit den stark verrauschten Schwankungen der Saugrohrdruckmittelwerte nur unzureichend auf den Luftmassenflusses ṁ_Luft,DK geschlossen werden kann. Alternativ lassen sich große Änderungen der Luftmasse aus dem Verlauf des Klirrfaktors F_Klirr ableiten. 15 shows that here as an additional input of the throttle model, the engine speed n _KW imposed, since at ambient conditions only with the strongly noisy fluctuations of Saugrohrdruckmittelwerte only inadequately on the air mass flow ṁ _{air, DK} can be concluded. Alternatively, large changes in the air mass can be deduced from the course of the distortion factor F _Klirr .

Messdatenbasierte Aufprägung:Measured Data Based Imprint:

Die Modellbildung kann in nahe liegender Weise, zunächst mit einem, ausschließlich auf Messdaten basierenden Ansatz erfolgen. Wie in 16 dargestellt, ist zunächst mit einem Messdatensatz für nominale Bedingungen, d.h. Nockenwellen-Shift α 0 / NW ≈ 0°KW und für eine mittlere Motordrehzahl n 0 / KW ein nominales Modell zur Nachbildung des Luftmassenstroms durch die Drosselklappe ṁ 0 / Luft,DK zu parametrieren.Modeling can be done in a straightforward way, initially with a purely measurement-based approach. As in 16 shown, is first with a measurement data set for nominal conditions, ie camshaft shift α 0 / NW ≈ 0 ° KW and for a mean engine speed n 0 / KW a nominal model to model the mass air flow through the throttle ṁ 0 / air, DK ,

16 zeigt, dass das Mittelwertmodell zur Nachbildung des Luftmassenstroms durch die Drosselklappe die zusätzlichen Eingänge Motordrehzahl n_KW und Nockenwellen-Shift α_NW benötigt, deren Einfluss explizit aufgeprägt wird. 16 shows that the mean value model for the simulation of the air mass flow through the throttle requires the additional inputs engine speed n _KW and camshaft shift α _NW , the influence of which is explicitly impressed.

Mit einem weiteren Messdatensatz, der mit frei variierter Nockenwellen-Shift und Motordrehzahl aufgenommen wurde, lassen sich dann Sollwerte generieren, anhand derer beispielsweise ein statisches neuronales Netz f_SNN trainiert werden kann, so dass

With a further measurement data set, which was recorded with freely varied camshaft shift and engine speed, it is then possible to generate desired values, by means of which, for example, a static neural network f _SNN can be trained so that

Physikalisch bzw. signalanalytisch motivierte Aufprägung:Physical or signal analysis motivated imprint:

Allein aus dem zeitlich und räumlich hoch aufgelösten Saugrohrdrucksignal in Kombination mit Drosselklappenposition und Ansauglufttemperatur auf die Strömungsvorgänge im Saugrohr zu schließen, ergibt weitere Vorgehensweisen zur Modellbildung. Der Vorteil gegenüber einer allein auf Messdaten gestützten Modellbildung besteht darin, dass zu sätzliche Informationen des Prozesses gewonnen und in Form virtueller, aber physikalisch relevanter Sensorsignale zur Verfügung stehen.Alone from the temporal and spatial high resolution Intake manifold pressure signal in combination with throttle position and Intake air temperature on the flow processes in the intake manifold close, provides further procedures for modeling. The advantage over one based solely on measured data Modeling is that to additional information of the process and in the form of virtual but physically relevant sensor signals to disposal stand.

Hierbei kann berücksichtigt werden, aus dem Saugrohrdruckverlauf in den jeweiligen Arbeitsspielen nicht nur den Mittelwert bzw. Gleichanteil sondern auch noch weitere Merkmale zu extrahieren, was auf drei grundsätzlich unterschiedliche Weisen bzw. Zielsetzungen erfolgen kann:

• Es werden Merkmale extrahiert, mit denen der Verlauf im Zyklus eindeutig rekonstruiert werden kann. Dieses Vorgehen dient maßgeblich zur Nachbildung des Originalsignals.
• Basierend auf physikalischen Betrachtungen werden signifikante Bereiche und Verlaufsmerkmale bestimmt, d.h. beispielsweise eine Niederdruck-Indizierung durchgeführt, um mit den physikalisch interpretierbaren Merkmalen den jeweiligen Verlauf im Arbeitsspiel bewerten und weiterverarbeiten zu können.
• Das Signal wird einer Fourier-Transformation unterzogen um anschließend eine Spektralanalyse durchzuführen. Diese Analyse erfolgt zunächst unter der Annahme einer periodischen Signalfolge von Arbeitsspiel zu Arbeitsspiel und ermittelt individuell für jeden Zyklus neben Gleichanteil auch die Anteile von Grundwelle und Oberwellen. Aus dem resultierenden Leistungsspektrum wird schließlich ersichtlich, wie stark die einzelnen Frequenzanteile vertreten sind.

In this case, it is possible to take into account not only the mean value or DC component but also further features from the intake manifold pressure curve in the respective working cycles, which can be done in three fundamentally different ways or objectives:

• Features are extracted that can be used to uniquely reconstruct the course in the cycle. This procedure is mainly used to simulate the original signal.
• Based on physical considerations significant areas and characteristics are determined, ie, for example, a low-pressure indexing carried out in order to be able to evaluate and further process the respective course in the working cycle with the physically interpretable features.
• The signal is Fourier transformed to perform a spectral analysis. This analysis is initially based on the assumption of a periodic signal sequence from work cycle to work cycle and determines individually for each cycle in addition to DC component and the shares of fundamental wave and harmonics. The resulting spectrum of services finally shows how strongly the individual frequency components are represented.

Allen drei Vorgehensweisen ist gemein, dass der Verlauf im Arbeitsspiel quantifiziert wird, wobei in der Regel eine Datenreduktion angestrebt ist, d.h. die Merkmalsanzahl sollte stets deutlich geringer sein als die Anzahl der Stützstellen bzw. Abtastungen.all three approaches is common that the course in the working game is quantified, usually seeking to reduce data is, i. the number of features should always be significantly lower as the number of nodes or samples.

Eine Rekonstruktion des Originalsignals, wie beispielsweise des in 17 dargestellten Saugrohrdruckverlaufs, wurde nicht beabsichtigt. Auch scheidet eine Mittelwertbildung signifikanter Bereiche nach Betrachtung des durchaus typischen Verlaufs in 18 zunächst aus, zumindest in Hinblick auf die Modellbildung. Daher wird nachfolgend der Saugrohrdruckverlauf mittels Fast-Fourier-Analyse näher untersucht, wobei sich der hieraus abgeleitete Klirrfaktor als geeignete Quantifizierung herausgestellt hat. Dieses bestätigen auch die in 14 und 15, jeweils im unteren Diagramm dargestellten Verläufe.A reconstruction of the original signal, such as the one in 17 shown Saugrohrdruckverlaufs, was not intended. Averaging of significant areas after consideration of the quite typical course in 18 initially, at least in terms of modeling. Therefore, the intake manifold pressure curve is examined in more detail by means of fast Fourier analysis, wherein the harmonic distortion derived therefrom has proven to be suitable quantification. This also confirm the in 14 and 15 , Gradients shown in the lower diagram.

Die weiteren Ausführungen konzentrieren sich auf eine Analyse des zeitlich hoch aufgelösten Saugrohrdrucksignals. Hierzu wurden sämtliche Messungen mit einer Abtastrate von 1°KW durchgeführt, wie auch im Abschnitt Experimentelle Untersuchungen am Motorenprüfstand bereits erläutert. In 17 wird der so abgetastete Saugrohrdruckverlauf für einen vollständigen Arbeitszyklus von 720°KW, also zwei Umdrehungen, dargestellt und kann dem Arbeitsspiel mit lfd. Nr. 11 in 14 zugeordnet werden. Hiermit kann auch auf die zugehörigen Betriebsbedingungen geschlossen werden, d.h. n_KW ≈ 2400 min^–1 etc. Mit 0°KW wurde in 17 die Position des oberen Totpunktes bei Zündung (Zünd-OT) des 1. Zylinders gekennzeichnet, vor dessen Einlassventil (vgl. 13) auch die Druckmessung erfolgte.The other versions focus on an analysis of the temporally high-resolution intake manifold pressure signal. For this purpose, all measurements were carried out with a sampling rate of 1 ° CA, as already explained in the section Experimental investigations on the engine test bench. In 17 the so sampled Saugrohrdruckverlauf for a complete duty cycle of 720 ° CA, ie two revolutions, and can the working cycle with no 14 be assigned. Hereby can also on the associated operating conditions, ie n _KW ≈ 2400 min ^-1 etc. With 0 ° KW was in 17 the position of the top dead center at ignition (ignition TDC) of the 1st cylinder, before the inlet valve (see. 13 ) also the pressure measurement took place.

In 18 ist das zugehörige normierte Leistungsspektrum, als Balkendiagramm dargestellt. Hierzu wurde der in 17 dargestellte Saugrohrdruckverlauf zunächst einer diskreten Fourier Transformation (DFT) unterzogen, was nachfolgend näher erläutert wird. Aus den komplexen Fourier-Koeffizienten lässt sich ein diskreter Verlauf des Leistungsspektrums für eine geeignete Anzahl von Stützstellen ermitteln, der in 18 als durchgehende Linie dargestellt ist. Aus diesem Verlauf lassen sich wiederum die Amplituden der Grund- und Oberwellen ermitteln, mit denen schließlich der, dem jeweiligen Arbeitsspiel zugehörige Klirrfaktor berechnet werden kann.In 18 is the associated normalized power spectrum, shown as a bar chart. For this purpose, the in 17 initially subjected to a discrete Fourier transformation (DFT), which will be explained in more detail below. From the complex Fourier coefficients, it is possible to determine a discrete course of the power spectrum for a suitable number of interpolation points, which in 18 is shown as a solid line. From this course, it is again possible to determine the amplitudes of the fundamental and harmonic waves with which, finally, the harmonic distortion associated with the respective working cycle can be calculated.

Recht gut ist die, auf den Amplitudenwert 1 normierte Grundwelle ersichtlich, die gegenüber den überlagerten Oberwellen deutlich dominiert.Law well, the normalized to the amplitude value 1 fundamental wave is visible, the opposite the superimposed Harmonics clearly dominated.

17 zeigt zyklische Schwankungen des Saugrohrdrucks in einem Arbeitsspiel (4 Takte). Die Messung erfolgte winkeläquidistant im 1°KW-Raster, unmittelbar vor dem Einlassventil des ersten Zylinders (0°KW ... Zünd-OT-Pos. des 1. Zyl.) 17 shows cyclic fluctuations of the intake manifold pressure in one cycle (4 cycles). The measurement was carried out at equidistant angles in the 1 ° CA grid, immediately before the inlet valve of the first cylinder (0 ° CA ... ignition TDC position of the 1st cylinder)

18 zeigt ein normiertes Leistungsspektrum des in 17 dargestellten Saugrohrdruckverlaufs, welches mittels diskreter Fourier Transformation (DFT) ermittelt wurde. Der zugehörige Klirrfaktor beträgt in diesem Arbeitsspiel F_Klirr ≈ 45,1 % 18 shows a normalized power spectrum of the in 17 shown Saugrohrdruckverlaufs, which was determined by discrete Fourier transformation (DFT). The corresponding harmonic distortion in this working _{cycle is} F _distortion ≈ 45.1%

Diskrete Fourier Analyse, Leistungsspektrum und KlirrfaktorDiscrete Fourier analysis, Power spectrum and harmonic distortion

Nachfolgend wird der Hintergrund des Algorithmus erläutert, mit dem die Berechnung der diskreten Fourier Transformation (DFT) durchgeführt wird:

The background of the algorithm used to calculate the Discrete Fourier Transform (DFT) is explained below:

Das Leistungsspektrum y_LS kann daher elementweise mittels

bestimmt werden. Unter Verwendung des Leistungsspektrums kann schließlich das Verhältnis zwischen Grundwelle und ihrer Harmonischen, bzw. zwischen der Grundwellen-Amplitude ŷ₁ und den Amplituden der Oberwellen ŷ₂, ŷ₃, ... mit Hilfe der Definition des Klirrfaktors

quantifiziert werden.The power spectrum y _LS can therefore element by element means

be determined. Finally, using the power spectrum, the ratio between the fundamental and its harmonics, or between the fundamental wave amplitude ŷ ₁ and the amplitudes of the harmonics ŷ ₂ , ŷ ₃ , ... can be determined by means of the definition of the harmonic distortion

be quantified.

Mit den obigen Betrachtungen kann nun die in 16 dargestellte und lediglich auf Messdaten basierende Struktur zur Nachbildung des Luftmassenstroms zu einem Mittelwertmodell modifiziert werden, welches als Zwischengröße, bzw. virtuelles Sensorsignal, die Klirrfaktoren F_Klirr der Saugrohrdruckverläufe individuell für einzelne Arbeitsspiele sowohl bereitstellt als auch verwendet. Eine solche Struktur ist in 19 dargestellt und eignet sich insbesondere, um Klirrfaktor-Verläufe für aufeinander folgende Arbeitsspiele ermitteln zu können. Bei Schalterstellung wie in Bild #6 wird das Modell zunächst in einer Anlernphase betrieben. Hierbei werden bei einem Training die Wichtungen des neuronalen Netzes so angepasst, dass der Netzausgang F_Klirr möglichst gut mit den per DFT ermittelten Sollwerten F_Klirr übereinstimmt. Mit Umlegen des Schalters (vgl. 19) wird das Training beendet und die Nachbildung des Klirrfaktors erfolgt autonom durch den neuronalen Approximator und macht die DFT während der Simulation entbehrlich.With the above considerations, the in 16 illustrated and based only on measurement data structure for simulating the air mass flow to a mean value model are modified, which as an intermediate size, or virtual sensor signal, the harmonic distortion F _Klirr the intake manifold pressure profiles individually for individual working cycles both provides and uses. Such a structure is in 19 and is particularly suitable for determining harmonic distortion characteristics for successive work cycles. When setting the switch as in picture # 6, the model is initially operated in a learning phase. Here, the weights of the neural network are adjusted so that the power output F _THD matches as closely as possible with the determined by DFT setpoints F _THD with a workout. By turning the switch (cf. 19 ) the training is terminated and the simulation of the harmonic distortion is done autonomously by the neural approximator and makes the DFT unnecessary during the simulation.

Die Bestimmung des Klirrfaktors kann somit entweder direkt mittels parallel berechneter DFT als F_Klirr = f(FFT{p_Saug(φ)}) erfolgen oder alternativ mit einem neuronalen Netz, abhängig vom jeweiligen Betriebspunkt mittels F_Klirr = f_MLP(n_KW, α_NW)The determination of the harmonic distortion can thus be done either directly by means of parallel calculated DFT as F _harmonic = f (FFT {p _suction (φ)}) or alternatively with a neural network, depending on the respective operating point by means of F _clutter = f _MLP (n _KW , α _NW )

Der Abgleich der eindimensionalen Korrekturfunktion f_Korr erfolgt analog zum Vorgehen nach Gleichung (#7).The adjustment of the one-dimensional correction function f _Korr is carried out analogously to the procedure according to equation (# 7).

19 zeigt ein DFT-Mittelwertmodell zur Nachbildung des Luftmassenstroms durch die Drosselklappe verwendet die Klirrfaktoren F_Klirr aufeinander folgender Saugrohrdruckverläufe 19 shows a DFT mean value model for the simulation of the mass air flow through the throttle uses the harmonic distortion F _Klirr consecutive Saugrohrdruckverläufe

Das Modell in 19 stellt eine Struktur dar, mit der allein aus dem zeitlich hoch aufgelösten Saugrohrdrucksignal in Kombination mit mittlerer Drosselklappenposition und Ansauglufttemperatur auf die Strömungsvorgänge im Saugrohr geschlossen werden kann. Durch die Nachbildung des Klirrfaktors mittels neuronaler Approximation arbeitet das Modell alternativ nur mit, jeweils über ein Arbeitsspiel gemittelten Eingangswerten. Und trotzdem liefert dieser Modellansatz Informationen über die hochfrequenten Luftschwingungs- bzw. -strömungsverhältnisse im Saugrohr.The model in 19 represents a structure that can be closed on the flow processes in the intake manifold alone from the temporally high intake manifold pressure signal in combination with average throttle position and intake air temperature. By simulating the harmonic distortion by means of neural approximation, the model alternatively works only with input values averaged over a working cycle. And yet, this model approach provides information about the high frequency air flow or flow conditions in the intake manifold.

In analoger Weise kann auch mit den weiteren Ergebnissen bzw. Ausgängen der DFT-Analyse verfahren werden. D.h. die bislang noch explizit unberücksichtigten Amplituden ŷ₁, ŷ₂, ŷ₃, ... können ebenfalls als eigenständige Merkmale oder auch in Kombination, jeweils mit einem Approximator betriebspunktabhängig nachgebildet werden.In an analogous manner, it is also possible to proceed with the further results or outputs of the DFT analysis. That is to say that the amplitudes ŷ ₁ , ŷ ₂ , ŷ ₃ , ..., which have so far not been explicitly considered, can likewise be simulated operating point-dependent as independent features or also in combination, in each case with an approximator.

Dieses Vorgehen stellt insbesondere eine zielführende Maßnahme dar, wenn weitere Variabilitäten im Ventiltrieb, im Ansaugtrakt und/oder ganz allgemein bei der Gemischbildung berücksichtigt werden sollen.This The procedure is especially a goal-oriented measure if further variations in the valve train, considered in the intake and / or in general in the mixture formation should be.

Anmerkung:Annotation:

Im Bedarfsfall besteht sogar die Möglichkeit, den Zusammenhang F_Klirr = f_MLP(n_KW, α_NW) mit einem dynamischen Simulationsmodell FKlirr(k + 1) = fTDNN(nKW(k), ..., αNW(k), ..., FRück(k), ...) (#8)nachzubilden, wobei F_Rück(k) = F_Klirr(k). Oder mittels F_Rück(k) = F_Klirr(k), – sofern die DFT im Modell implementiert bleibt – eine Prädiktion durchzuführen.In case of need, it is even possible to determine the relationship F _Klirr = f _MLP (n _KW , α _NW ) with a dynamic simulation model F THD (k + 1) = f TDNN (n KW (k), ..., α northwest (k), ..., F return (k), ...) (# 8) where F _returns (k) = F _tangles (k). Or by means of F _return (k) = F _distortion (k), - if the DFT remains implemented in the model - to perform a prediction.

ZylinderluftmassenmodellCylinder air mass model

Die zweite zentrale Komponente des in 12 dargestellten modularen Luftpfadmodells stellt die Nachbildung des Luftmassenstroms in die Zylinder dar. Basierend auf grundsätzlichen Überlegungen gelangt man auch hierbei zunächst zu dem Schluss, dass der Luftmassenstrom ṁ_Luft,Zyl allein in Abhängigkeit der Eingänge
Motordrehzahl n_KW
Saugrohrtemperatur ϑ_Saug und
Saugrohrdruck p_Saug
nachgebildet werden kann. Wie schon beim Drosselklappenmodell, enthalten diese Eingangsgrößen jedoch nur bei hinreichend detaillierter Betrachtung, sämtliche Informationen zu den Strömungsverhältnissen im Saugrohr.The second key component of in 12 Based on fundamental considerations, one first reaches the conclusion that the air mass flow ṁ _{air, cyl} alone depending on the inputs
Engine speed n _KW
_Suction tube temperature θ _suction and
Intake manifold pressure p _suction
can be reproduced. As with the throttle valve model, however, these input variables only contain all information on the flow conditions in the intake manifold if they are sufficiently detailed.

Da dem Modell definitionsgemäß nur im Arbeitsspiel gemittelte Werte zugeführt werden, muss die fehlende Information, zumindest teilweise durch die zusätzlichen Eingänge
Drosselklappenposition α_DK und
Nockenwellen-Shift α_NW
eingebracht werden, wie im zugehörigen Mittelwertmodell in 20 dargestellt. Hierbei wird der Zusammenhang

vom nominalen Zylinderluftmassenmodell ṁ 0 / Luft,Zyl nur unter der Voraussetzung eines theoretischen Luftaufwands λ_α = 1 hinreichend genau nachgebildet. Die mittlere Abweichung – gegenüber dem tatsächlichen Luftaufwand – kann wie zuvor beseitigt werden, d.h. analog zum Vorgehen nach Gleichung (#7), mit Hilfe eines neuronalen Korrekturglieds und ausschließlich auf Messdaten basierend.Since by definition only average values are supplied to the model in the working cycle, the feh at least in part through the additional inputs
Throttle position α _DK and
Camshaft shift α _NW
be introduced, as in the associated mean value model in 20 shown. Here is the context

of the nominal cylinder air mass model ṁ 0 / air, Zyl only with the assumption of a theoretical air effort λ _α = 1 sufficiently accurately replicated. The mean deviation - compared to the actual air effort - can be eliminated as before, ie analogous to the procedure according to equation (# 7), with the help of a neural correction term and based solely on measurement data.

Wird nun wiederum eine Merkmalsextraktion des Saugrohrdruckverlaufs im Arbeitsspiel f_Quant(FFT{p_Saug(φ)}) durchgeführt, d.h. DFT und anschließende Ermittlung einer geeigneten Quantifizierung, wie beispielsweise der Klirrfaktor F_Klirr, so kann dieses Merkmal entweder direkt zur Bestimmung des tatsächlichen Luftaufwands λα = fLA(FKlirr, nKW) (#10)verwendet werden oder es wird als virtuelle Messgröße FKlirr ≈ FKlirr = fMLP(αDK, αNW) (#11)abhängig vom jeweiligen Betriebspunkt, von einem neuronalen Netz nachgebildet.If, in turn, a feature extraction of the intake manifold pressure curve in the working _cycle f _quant (FFT {p _suction (φ)}) is carried out, ie DFT and subsequent determination of a suitable quantification, such as the total harmonic distortion F _distortion , this feature can either be used directly to determine the actual air consumption λ α = f LA (F THD , n KW ) (# 10) be used or it is called a virtual metric F THD ≈ F THD = f MLP (α DK , α northwest ) (# 11) depending on the respective operating point, simulated by a neural network.

20 zeigt, dass das Mittelwertmodell zur Nachbildung des Luftmassenstroms in die Zylinder die zusätzlichen Eingänge Drosselklappenposition α_DK und Nockenwellen-Shift α_NW benötigt, deren Einfluss explizit aufgeprägt wird. 20 shows that the mean value model for simulating the air mass flow into the cylinders requires the additional inputs throttle position α _DK and camshaft shift α _NW , the influence of which is explicitly impressed.

21 zeigt, eine Modellstruktur zur Nachbildung des Zylinderluftmassenstroms, bei der nach Umlegen des Schalters ein neuronaler Approximator die DFT ersetzt. 21 shows a model structure for modeling the cylinder air mass flow, in which after switching the switch, a neural approximator replaces the DFT.

Anmerkung:Annotation:

Alternativ kann die Bestimmung des Luftaufwands auch mittels λ_α = f_LA,Σ(F ~_Klirr(α_DK, α_NW, n_NW)) erfolgen.Alternatively, the determination may be of the volumetric efficiency by means of λ _α = f _{LA, Σ} (F ~ _THD (α _DK, α _NW _NW) n) take place.

Simulationsergebnisse Luftpfadsimulation results air path

Hierbei muss insbesondere berücksichtigt werden, dass im Gesamtverbund (vgl. 12) die Einflüsse von Motordrehzahl n_KW, Drosselelklappenposition α_DK und insbesondere Nockenwellen-Shift α_NW nicht durch die strukturbedingte Subtraktion beider Massenströme einfach aufgehoben wird.It must be taken into account in particular that in the overall composite (cf. 12 ) the influences of engine speed n _KW , throttle position α _DK and in particular camshaft shift α _{NW is} not canceled by the structural subtraction of both mass flows.

Hardware-in-the-Loop (HiL)-SimulationHardware-in-the-loop (HiL) simulation

Die oben behandelten physikalisch/neuronalen Kombimodelle wurden auf einem HiL-Simulator implementiert und im Verbund mit einem originalen Steuergerät überprüft und Einregeln auf die LeerlaufdrehzahlThe The above-discussed physical / neuronal combination models were based on a HiL simulator implemented and checked in conjunction with an original control unit and adjusting to the idle speed

In 22 bis 24 sind die Verläufe verschiedener Messgrößen aus der HiL-Simulation eines Kaltstarts bei 20°C dargestellt, die mit einem CARTS-System durchgeführt wurden. Nach dem simulierten Aufschalten der Anlasserspannung wird das Neuromodell mit Anlasserdrehzahl geschleppt und springt an, sobald laut Berechnung ein Zylinder mit einem als zündfähig erachtetem Gemisch versorgt wird. Entsprechend der Motorträgheit und dem freigegebenen Moment dreht der Neuro-Motor hoch und wird durch Steuergeräteeingriffe wie Zündwinkel, Drosselklappenwinkel und Einspritzmenge auf die gewünschte Leerlaufdrehzahl geregelt, solange der Pedalweggeber Leerlauf signalisiert.In 22 to 24 are the curves of various measured variables from the HiL simulation of a cold start at 20 ° C, which were performed with a CARTS system. After the simulated activation of the starter voltage, the neuromodel is towed at starter speed and starts as soon as, according to the calculation, a cylinder is supplied with a mixture deemed ignitable. Corresponding to the engine inertia and the released torque, the neuro-engine turns up and is controlled by control unit interventions such as ignition angle, throttle angle and injection quantity to the desired idle speed as long as the pedal travel sensor signals idle.

22 zeigt eine HiL-Simulation eines Kaltstarts bei 20°C mit den Phasen Anschleppen, Hochlauf und Einregeln auf die Leerlaufdrehzahl. 22 shows a HiL simulation of a cold start at 20 ° C with the phases towing, run-up and adjusting to idle speed.

23 zeigt ein HiL-simuliertes Drehmoment an der Kurbelwelle und Luftmassenfluss während des Kaltstarts aus 22. 23 shows a HiL-simulated torque at the crankshaft and mass flow during the cold start 22 ,

24 zeigt: Eingriffe des Motorsteuergeräts während der drei Phasen Anschleppen, Hochlauf und Einregeln der Leerlaufdrehzahl in Reaktion auf die HiL – Simulation des Kaltstarts. 24 shows: Engine control unit intervening during the three phases towing, ramping, and idle speed adjustment in response to the HiL simulation of the cold start.

Claims

Regelungsverfahren eines zu regelnden Fluidstromes einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, wobei zumindest ein erster Parameter des Fluidstromes, welcher sich bei Betrieb des Kraftfahrzeuges bei wechselnden Belastungssituationen ändert, ein dynamisches Verhalten aufweist, wobei ein für das dynamische Verhalten des ersten Parameters charakteristischer Wert ermittelt wird, mittels dem ein genaueres Regeln ermöglicht wird gegenüber einem Regeln mittels einer Bestimmung eines Mittelwertes des charakteristischen Wertes über einen beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine charakteristischen Zeitraum.Control method of a regulated fluid flow an internal combustion engine of a motor vehicle, wherein at least a first parameter of the fluid flow which occurs during operation of the motor vehicle changes in changing load situations, a has dynamic behavior, with one for the dynamic behavior of the first parameter is determined by means of which allows a more precise rules is opposite a rule by means of a determination of an average of the characteristic Value over a characteristic of the operation of the internal combustion engine Period.

Regelungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spektralanalyse eines Schwingungsverhaltens eines zumindest mit dem Fluidstrom gekoppelten zweiten Parameters zur Ermittlung des charakteristischen Wertes durchgeführt wird.Control method according to claim 1, characterized that a spectral analysis of a vibration behavior of at least coupled with the fluid flow second parameter for determining the characteristic value is performed.

Regelungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Klirrfaktor ermittelt wird, der das dynamische Verhalten des ersten Parameters wiedergibt.Control method according to claim 1 or 2, characterized characterized in that a harmonic distortion is determined, which is the dynamic Behavior of the first parameter plays.

Regelungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Standardabeichung ermittelt wird, die das dynamische Verhalten des ersten Parameters wiedergibt.Control method according to one of the preceding Claims, characterized in that a standard calibration is determined which represents the dynamic behavior of the first parameter.

Regelungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Grundwelle eines Schwingungsverhaltens ermittelt wird, mittels der auf das dynamische Verhalten des ersten Parameters geschlossen wird.Control method according to one of the preceding Claims, characterized in that at least one fundamental wave of a vibration behavior is determined by means of the on the dynamic behavior of the first Parameters is closed.

Regelungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Oberwelle eines Schwingungsverhaltens ermittelt wird, mittels der auf das dynamische Verhalten des ersten Parameters geschlossen wird.Control method according to one of the preceding Claims, characterized in that at least one harmonic of a vibration behavior is determined by means of the on the dynamic behavior of the first Parameters is closed.

Regelungsverfahren nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundwelle und zumindest eine Oberwelle miteinander gekoppelt werden und mit tels der daraus gewonnenen Beziehung auf das dynamische Verhalten des ersten Parameters geschlossen wird.Control method according to claim 5 and 6, characterized characterized in that the fundamental and at least one harmonic coupled with each other and with the resulting relationship on the dynamic behavior of the first parameter is closed.

Regelungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein modellbasierter Regler zur Umsetzung des Regelungsverhaltens genutzt wird.Control method according to one of the preceding Claims, characterized in that a model-based controller for implementation the control behavior is used.

Regelungsverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der modelbasierte Regler mittels eines neuronalen Netz zumindest eine Datenbasis ermittelt, die zur Regelung des dynamischen Verhaltens eingesetzt wird.Control method according to claim 8, characterized in that that the model-based controller by means of a neural network at least identified a database used to control the dynamic behavior becomes.

Regelungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es bei einer modelbasierten Simulation zur Verkürzung einer Applikationszeit der Verbrennungskraftmaschine für das Kraftfahrzeug eingesetzt wird.Control method according to one of the preceding Claims, characterized in that it is in a model-based simulation for shortening an application time of the internal combustion engine for the motor vehicle is used.

Verbrennungskraftmaschine, die mit zumindest einem Steuergerät eines Kraftfahrzeugs gekoppelt ist, wobei die Verbrennungskraftmaschine zumindest einen dynamisch sich ändernden Fluidstrom aufweist und das Steuergerät in der Lage ist, den Fluidstrom gezielt zu beeinflussen, wobei zumindest ein Messwertaufnehmer zur Ermittlung eines ersten Parameters des Fluidstroms in Verbindung mit dem Steuergerät steht und eine Auswerteeinheit vorhanden ist, die eine Signalerzeugung aufweist, die mittels des ersten Parameters ein eine Dynamik des Fluidstroms wiedergebendes Signal generiert, und die Auswerteeinheit mit einer Stellvorrichtung zur Beeinflussung des Fluidstroms gekoppelt ist.Internal combustion engine with at least one control unit a motor vehicle is coupled, wherein the internal combustion engine at least one dynamically changing one Fluid flow and the controller is capable of the fluid flow targeted, with at least one transducer for Determination of a first parameter of the fluid flow in conjunction with the control unit stands and an evaluation unit is present, which is a signal generation has, by means of the first parameter a dynamics of the Fluid stream reproducing signal generated, and the evaluation unit coupled to an actuator for influencing the fluid flow is.

Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät in einem Motorsteuergerät implementiert ist.Internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the control unit is implemented in an engine control unit is.

Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit vorsieht, mittels der Signalerzeugung zumindest eine Standardabweichung zu ermitteln.Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized that the evaluation unit provides to determine at least one standard deviation by means of the signal generation.

Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit vorsieht, mittels der Signalerzeugung zumindest einen Klirrfaktor zu ermitteln.Internal combustion engine according to one of the preceding Claims, characterized in that the evaluation unit provides, by means of the signal generation to determine at least one harmonic distortion.

Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit eine Fourier-Transformation implementiert aufweist.Internal combustion engine according to one of the preceding Claims, characterized in that the evaluation unit is a Fourier transform implemented implements.

Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät mit einem neuronalen Netz zumindest gekoppelt ist.Internal combustion engine according to one of the preceding Claims, characterized in that the controller is a neural network at least coupled.