DE102007060036B4 - Verfahren zur Bestimmung von korrigierten Messwerten und/oder Modellparametern zur Steuerung des Luftpfads von Verbrennungsmotoren - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Bestimmung von korrigierten Messwerten und/oder adaptierten Modellparametern zur Steuerung des Luftpfads von Verbrennungsmotoren, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Messwerte und/oder Modellparameter gleichzeitig korrigiert/adaptiert werden, indem mindestens eine Gesamtfehlergröße, die eine Inkonsistenz der Messwerte und Modellparameter beschreibt, in individuelle Korrekturgrößen für die zu korrigierenden Messwerte und/oder zu adaptierenden Modellparameter aufgeteilt wird und diese Korrekturgrößen auf die zu korrigierenden Messwerte und/oder zu adaptierenden Modellparameter angewendet werden, während bei der Ermittlung der individuellen Korrekturgröße eines zu korrigierenden Messwerts und/oder zu adaptierenden Modellparameters eine Gewichtung in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors und/oder des Alters des Verbrennungsmotors erfolgt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von korrigierten Messwerten und/oder adaptierten Modellparametern zur Steuerung des Luftpfads von Verbrennungsmotoren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
  • Die exakt aufeinander abgestimmte Zumessung von Frischluftmenge, zurückgeführter Abgasmenge und Kraftstoffmenge bei Verbrennungsmotoren stellt wegen verschärfter gesetzlicher Emissionsgrenzwerte ein zunehmendes Problem dar. Dies gilt sowohl im stationären als auch im dynamischen Motorbetrieb. Bauteil- und Sensortoleranzen beeinflussen die Zumessung der einzelnen Mengen. Daraus ergeben sich erhebliche Emissionsstreuungen der Verbrennungskraftmaschine in der Serie und über die Fahrzeugalterung. Diese Streuungen können zu erheblichen Abweichungen von dem emissionsoptimalen Motorverhalten führen. Insbesondere besteht die Gefahr, dass gesetzliche Vorschriften hinsichtlich der Emissionen verletzt werden.
  • Weiterhin gelangen die Emissionen beim transienten, dynamischen Motorbetrieb zunehmend in den Fokus der Motoroptimierung. Insbesondere bei Verbrennungskraftmaschinen mit AGR tritt das Problem der dynamischen Zumessung von Frischluftmenge, zurückgeführter Abgasmenge und Kraftstoffmenge dann auf, wenn der Ladedruckaufbau der Drehmomentanforderung verzögert hinterherläuft. Unter diesen Umständen können die geforderte Frischluftmenge und die geforderte AGR-Menge nicht immer gleichzeitig realisiert werden. In der Folge treten bei heutigen Steuerungsverfahren große Missverhältnisse bei den NOx- und Partikelemissionen auf.
  • Grundsätzlich besteht ein Zielkonflikt zwischen der Sauerstoffkonzentration vor der Verbrennung, die sich insbesondere hinsichtlich der NOx-Emissionen auswirkt, einerseits, und dem Lambdawert bzw. der Sauerstoffkonzentration nach der Verbrennung, die von besonderer Relevanz für die Partikelemissionen ist, andererseits. Zwischen diesen beiden Zielstellungen muss ein geeigneter Kompromiss gefunden werden (NOx-Partikel-Trade-Off). Dies ist insbesondere im dynamischen Betrieb der Brennkraftmaschine schwierig. Der NOx-Partikel-Trade-Off sollte jedoch auch im dynamischen Betrieb optimal sein.
  • Zur Lösung der genannten Probleme wurde bisher vornehmlich versucht, die Bauteil- und Sensortoleranzen mit hohem Aufwand möglichst gering zu halten. Außerdem wurde bei der Emissionsauslegung der Fahrzeuge ein Sicherheitsabstand zu den gesetzlichen Grenzwerten vorgehalten, der die Emissionsstreuung im Feld berücksichtigt. Beide bekannten Lösungswege führen jedoch zu hohen Kosten. Ein weiterer, neuerer Lösungsweg besteht in der Adaption der Steuerung auf den individuellen Motor. Solche Vorgehensweisen sind beispielsweise bekannt aus Dietz, Martin et al.: „Zukunftsweisender kleinvolumiger Euro4-Transporter/Commercial-Vehicle-Motor”, 27. Internationales Wiener Motorensymposium 2006, sowie EP 1 327 760 B1 und DE 102 42 233 B3 . Aus Lange, Thorsten: „Toleranzeinengung des HEM und Auswirkungen auf die Emissionen”, 4. Internationales Forum Abgas- und Partikelemissionen, Ludwigsburg 2006, ist weiterhin bekannt, eine Parameterschätzung einzusetzen, bei der Heißfilmluftmassen-Messer-(HFM-) Kennlinienfehler und AGR-Ventil-Querschnitts-Kennlinienfehler minimiert werden. Bei den bekannten Verfahren wird jeweils eine Größe adaptiert. Daraus ergibt sich das Problem, dass sich die Fehler der übrigen Größen jeweils auf die adaptierte Größe auswirken.
  • Zur Lösung des Problems der dynamischen Zumessung von Frischluftmenge und zurückgeführter Abgasmenge ist in Dietz, Martin et al.: „Zukunftsweisender kleinvolumiger Euro4-Transporter/ Commercial-Vehicle-Motor, 27. Internationales Wiener Motorensymposium 2006 und Herrmann, Olaf et al: „Regelung von Ladedruck und AGR-Rate als Mittel zur Emissionsregelung bei Nutzfahrzeugen”, Motorentechnische Zeitschrift (MTZ) 10/2005 eine Regelung der AGR-Rate vorgeschlagen worden. Auch bei dieser Vorgehensweise können im dynamischen Betrieb des Motors jedoch ungünstige Emissions-Verhältnisse resultieren. Aus Rötger, Daniel et al.: „Ein modellbasierter Ansatz zur Regelung dieselmotorischer Verbrennungen”, Aachener Colloquium Fahrzeug- und Motorentechnik 2006, ist weiterhin bekannt, ein inverses Lambda im Saugrohr zu regeln. Diese Vorgehensweise kann jedoch zu einem sehr kleinen Lambdawert im Abgaskrümmer und damit zu hohen Rußemissionen führen.
  • DE 10 2006 026 219 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine. Dazu wird ein Sollwert einer Sauerstoffkonzentration eines Abgases nach einen Verbrennungsprozess in einem Brennraum der Brennkraftmaschine und vor einer Abgasnachbehandlung ermittelt. Abhängig von diesem Sollwert wird ein Sollwert eines Frischluftmassenstroms ermittelt. DE 10 2004 035 317 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine. Dabei wird ein Vergleich zwischen einem Sollwert und einem Istwert für den Frischluftmassenstrom und/oder für den Abgasrückführmassenstrom durchgeführt, wodurch mittels eines Reglers wenigstens eine Stellgröße für wenigstens einen Steller vorgebbar ist.
  • In DE 197 34 494 C1 ist ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine beschrieben. Bei diesem Verfahren werden durch die Rückführung von Abgasen aus einer Abgasleitung durch einen Abgasrückführungskanal in eine Einlassleitung die Abgasemissionen gesenkt. Dazu wird in den Gasströmen jeweils vor und nach der Einmündung des Abgasrückführungskanals in die Einlassleitung der jeweilige Sauerstoffgehalt gemessen und die Reglereinheit ermittelt aus den Messergebnissen die Rückführrate.
  • EP 0 820 559 B1 beschreibt ein Verfahren zum modellgestützten Bestimmen der in die Zylinder einer Brennkraftmaschine einströmenden Luftmasse. Dazu wird ein Korrekturalgorithmus in Form eines Modellregelkreises formuliert, der bei auftretenden Ungenauigkeiten von Modellparametern eine permanente Genauigkeitsverbesserung, also einen Modellabgleich im stationären und instationären Betrieb gestattet. Aus Tränkler, H.-R.: „Taschenbuch der Messtechnik” ist die Fehlerfortpflanzung systematischer Fehler bekannt.
  • In Schwarte A. et al.: „Physikalisch-modellbasierte Regelung des Luftpfads von Dieselmotoren für zukünftige Anforderungen” ist beschrieben, dass diese Regelung die Vereinfachung der Kennfeldstrukturen, die genauere Berücksichtigung von sich ändernde Betriebsbedingen, sowie die Linearisierung, Störgrößenkompensation und Entkopplung von Regelkreisen ermöglicht. Schwarte A.: „Modellbasierte Fehlererkennung und Diagnose des Ansaug- und Abgassystems von Dieselmotoren” beschreibt, dass die Modularisierung der Fehlererkennung und deren Integration in eine Gesamtdiagnose eine Methodik zur Anwendung auf komplexe technische Produkte liefert.
  • Mit den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen lassen sich daher die eingangs genannten Probleme nicht in zufriedenstellender Weise lösen.
  • Ausgehend von dem erläuterten Stand der Technik lag der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs angegebenen Art bereitzustellen, mit dem in kostengünstiger Weise die Emissionsgrenzen im stationären und im dynamischen Motorbetrieb zuverlässig eingehalten werden.
  • Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Patentansprüchen sowie in der Beschreibung mit den Ausführungsbeispielen.
  • Zur Beschreibung des Verhaltens von Verbrennungsmotoren und insbesondere des Luftpfads dienen Modelle. Erfindungsgemäß können die in diesen Modellen berücksichtigten Parameter adaptiert werden. Weiterhin werden mittels geeigneter Sensoren und Bauteile Messwerte zum Verhalten des Verbrennungsmotors, insbesondere des Luftpfads, aufgenommen. Auch diese Messwerte können erfindungsgemäß adaptiert werden. Erfindungsgemäß werden mindestens zwei Messwerte und/oder Modellparameter, also mindestens zwei Variablen aus der gemeinsamen Gruppe der Messwerte und der Modellparameter (beispielsweise ein Messwert und ein Modellparameter usw.) gleichzeitig adaptiert. Dazu wird eine die zu erwartenden Toleranzen der die Messwerte aufnehmenden Bauteile bzw. Sensoren sowie die Modellfehler (Inkonsistenz der Messwerte und Modellparameter) beschreibende Gesamtfehlergröße herangezogen. Die zu erwartenden Toleranzen sind die zu erwartenden Messfehler oder Modellfehler. In dieser Hinsicht kann beispielsweise die Standardabweichung solcher Werte herangezogen werden. Aus der Gesamtfehlergröße wird anschließend für jeden zu adaptierenden Messwert bzw. Modellparameter eine individuelle Korrekturgröße erstellt, indem die Gesamtfehlergröße auf die unterschiedlichen Korrekturgrößen aufgeteilt wird. Anschließend werden die Korrekturgrößen zur Adaption auf die Messwerte und/oder Modellparameter angewendet. Die Gesamtfehlergröße und die Korrekturgrößen sind vorzugsweise Gesamtfehlerfaktoren und Korrekturfaktoren. Zur Adaption können die nicht adaptierten Größen dann jeweils mit den Korrekturfaktoren multipliziert werden.
  • Basis für die erfindungsgemäße Adaption ist die Ausnutzung redundanter Informationen in den Messgrößen über ein vorzugsweise physikalisches Modell. Im einfachsten Fall besteht das Modell aus nur einer Gleichung. Sämtliche Variablen und Parameter der Gleichung müssen bekannt sein. Die Gleichung kann so umgeformt werden, dass auf einer Gleichungsseite eine 1 stehen bleibt. Diese Gleichung ist jedoch nur im idealen Fall erfüllt. Werden Messwerte und angenommene Modellparameter in die Gleichung eingesetzt, so wird beispielsweise aufgrund der Bauteil- und Sensortoleranzen eine Inkonsistenz auftreten. Daher wird auf der Gleichungsseite statt der 1 eine Gesamtfehlergröße eingeführt, die die Inkonsistenz der Messwerte und Modellannahmen beschreibt. Das Adaptionsverfahren verwendet dann die Gesamtfehlergröße und verteilt sie als Korrekturgrößen auf die Variablen der Gleichung entsprechend der Unzuverlässigkeit bzw. der angenommenen Standardabweichungen der Messgrößen und Modellparameter. Somit ergibt sich eine gleichzeitige Adaption mehrerer Variablen und Parameter der Gleichung.
  • Die Gesamtfehlergröße oder der Gesamtfehlerfaktor können über ein Modell, welches die physikalischen Größen (Messwerte) und Modellparameter miteinander verknüpft, berechnet werden. Die aus der Gesamtfehlergröße gebildeten Korrekturgrößen bzw. Korrekturfaktoren können in Kennlinien oder -feldern abgespeichert bzw. gelernt werden. Zur Adaption werden die Korrekturgrößen dann auf die Messwerte und Modellparameter verteilt, so dass das Modell und die Variablen in sich konsistent sind.
  • Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass mehrere Größen gleichzeitig adaptiert werden und somit die zu erwartenden Streuungen mehrerer Größen berücksichtigt werden. Die individuellen Ungenauigkeiten bzw. Toleranzen der Sensoren und Komponenten werden im statistischen Mittel den richtigen Größen zugeordnet, statt wie beim Stand der Technik (monokausal) nur eine Größe mit den anderen auch fehlerbehafteten Größen zu adaptieren. Die erfindungsgemäße Adaption ermöglicht somit eine erhebliche Toleranzeinengung der resultierenden Emissionen des Verbrennungsmotors.
  • Dabei kann die Adaption eine Größe auch unverändert lassen. Die Korrekturgröße kann im Falle eines Korrekturfaktors also beispielsweise auch gleich 1 sein. Der Verbrennungsmotor kann eine Abgasrückführungsregelung (AGR) aufweisen.
  • Das Verfahren wird im Folgenden anhand eines Beispiels erläutert.
  • Für die Sauerstoffkonzentration vor der Verbrennung, bzw. im Einlasskrümmer nach einer AGR-Zumischung (Intake Manifold O2-Concentration) gilt für vorteilhafte Vereinfachungen:
    Figure 00080001
  • Dabei und auch im weiteren Verlauf der Anmeldung bedeuten:
    • mair
    (Frisch-)Luftmasse, die dem Motor pro Hub zugeführt wird (vor AGR-Zumischung) (air mass per stroke),
    ηVol
    volumetrischer Wirkungsgrad (volumetric efficiency),
    p2i
    Eingangsdruck bzw. Ladedruck vor der Verbrennung im Einlasskrümmer (inlet pressure),
    mF
    Kraftstoffmenge pro Hub (fuel mass per stroke),
    Tair
    Lufttemperatur der Frischluft vor AGR-Zumischung (air temperature),
    TEGR
    Temperatur des rückgeführten Abgases vor der Zumischung (EGR temperature)
    Vcyl
    Zylinderhubvolumen (cylinder volume),
    O2,air
    Sauerstoffkonzentration der dem Verbrennungsmotor zugeführten Frischluft (vor AGR-Zumischung) (ca. 0,21),
    Lst
    stöchiometrisches Luft-/Kraftstoffverhältnis (ca. 14,4 bis 14,7).
  • Die aufgeführten Abkürzungen gelten auch im weiteren Verlauf der vorliegenden Anmeldung. Für den Lambdawert bzw. die Sauerstoffkonzentration nach der Verbrennung gilt:
    Figure 00080002
  • Für einen Verbrennungsmotor mit geschlossenem AGR-Ventil gilt im Idealfall:
    Figure 00090001
  • R bezeichnet dabei die individuelle Gaskonstante von Luft oder Luft/AGR-Gemisch (ca. 287–288 J/(kg K)). Im Realfall tritt aufgrund der Bauteil- und Sensortoleranzen eine Inkonsistenz der Gleichung auf. Daher wird ein Gesamtfehlerfaktor Fintake,mdl eingeführt:
    Figure 00090002
  • Die Angabe „mes” bezeichnet jeweils einen gemessenen Wert und die Angabe „mdl” einen Modellparameter.
  • Zur Adaption der Luftmasse und des volumetrischen Wirkungsgrades wird der Gesamtfehlerfaktor Fintake,mdl in zwei Korrekturfaktoren cη, cair für den volumetrischen Wirkungsgrad und die gemessene Luftmasse aufgeteilt:
    Figure 00090003
  • Erfindungsgemäß kann insbesondere eine Mehrzahl von physikalischen Größen, insbesondere Messwerten und Modellparametern, adaptiert werden. Dabei können mehrere Modellgleichungen benutzt werden. Der Vorteil liegt dann darin, dass Adaptionen, die auf unterschiedlichen Modellen beruhen, aber teilweise identische Größen beinhalten, konsistent zueinander gebildet werden können. So können beispielsweise die Luftmassenadaption aus einer Verbrennungsgleichung und die Luftmassenadaption aus einer Motoransaugverhalten-Gleichung konsistent aufeinander abgestimmt werden und die Zuverlässigkeit der Adaption so erhöht werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren findet bevorzugt Anwendung bei Verbrennungsmotoren mit Abgasrückführungen(AGR). Im Zusammenhang der vorliegenden Anmeldungen kann das Bestimmen einer Größe immer ein Berechnen dieser Größe bedeuten. Es kann aber auch beispielsweise eine Auswahl der Größe aus einem Kennfeld oder ähnliches heißen.
  • Nach einer Ausgestaltung kann bei der Ermittlung der individuellen Korrekturgröße eines zu adaptierenden Messwerts und/oder Modellparameters eine Gewichtung in Abhängigkeit von den erwarteten Toleranzen des jeweils zu adaptierenden Messwerts und/oder Modellparameters erfolgen. In diesem Fall werden die Korrektur- bzw. Adaptionsgrößen über Gewichtungsgrößen berechnet, die ein Maß für die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der jeweiligen Mess- und Modellparametergrößen sind. Je größer die Streuung der Mess- oder Modellparametergröße ist, desto stärker wird diese Größe adaptiert. Die Gewichtungsfaktoren können in Abhängigkeit von Betriebsparametern und/oder dem Motoralter berechnet werden. Es ist auch möglich, dass die individuellen Korrekturgrößen betriebspunkabhängig gelernt werden und in Kennfeldern abgespeichert werden.
  • Die mindestens eine Gesamtfehlergröße kann in besonders einfacher Weise mittels mindestens einer Modellgleichung bestimmt werden. Dabei kann mindestens eine Modellgleichung die Verbrennung in dem Verbrennungsmotor beschreiben. Es ist aber auch möglich, dass mindestens eine Modellgleichung das Ansaugverhalten des Verbrennungsmotors beschreibt.
  • Im Folgenden wird ein Beispiel angegeben. Die Korrekturfaktoren cair, cη sind Funktionen der Gesamtfehlergröße Fintake,mdl, sowie der zugehörigen Gewichtungsgrößen bzw. Gewichtungsfaktoren wair und wη ⌊cair, Cη⌋ = f(Fintake,mdl, wair, wη)
  • Die Gewichtungsfaktoren wair und wη wiederum sind Funktionen der Motordrehzahl (N), der Last- bzw. des Drehmoments (TQI) sowie des Alters des Verbrennungsmotors (age): ⌊wair, wη⌋ = f(N, TQI, age)
  • Für eine ausreichend genaue Berechnung der Korrekturfaktoren werden zwei Iterationen durchgeführt: Erste Iteration:
    Figure 00110001
    Zweite Iteration:
    Figure 00110002
  • Die Kennzeichnung c' bzw. F' kennzeichnet dabei jeweils Zwischenergebnisse der Iteration.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung können die adaptierten Messwerte und/oder Modellparameter als Regelgrößen und/oder als Eingangsgrößen zur Berechnung von Steuerungs- und Regelgrößen bzw. vorteilhaften Führungsgrößen verwendet werden. Gemäß dieser Ausgestaltung fließen die Ergebnisse der Adaption in geeigneter Weise in die Steuerung und Regelung des Verbrennungsmotors ein und realisieren so eine Toleranzeinengung der Emissionen.
  • Nach einer weiteren Ausgestaltung können mittels einer Korrekturgröße für eine geschätzte Einspritzmenge weitere Lastgrößen des Verbrennungsmotors adaptiert werden. Insbesondere ist es möglich, mittels einer Korrekturgröße für einen volumetrischen Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors einen Ladedrucksollwert für den Verbrennungsmotor derart zu adaptieren, dass ein verringerter volumetrischer Wirkungsgrad zu einem höheren Ladedrucksollwert führt, um eine verringerte Zylinderfüllung auszugleichen. Das Betriebsverhalten des Verbrennungsmotors kann so weiter verbessert werden.
  • Nach dem beschriebenen Adaptionsverfahren (gemäß dem ersten kann das im Folgenden beschriebene Verfahren der Erfindung ausgeführt werden.
  • Das Verfahren zur Bestimmung eines adaptierten Sollwerts für die einem Verbrennungsmotor zuzuführende Luftmasse als Führungsgröße für eine Abgasrückführungs-Regelung umfasst durch die folgenden Verfahrensschritte: Bestimmen einer ersten Sollluftmasse oder einer ersten Sollabgasrückführungsrate, die zu einer optimalen Sauerstoffkonzentration vor der Verbrennung in den Verbrennungsmotor führen, Bestimmen einer zweiten Sollluftmasse oder einer zweiten Sollabgasrückführungsrate, die zu einer optimalen Sauerstoffkonzentration nach der Verbrennung in dem Verbrennungsmotor führen, und Bestimmen eines adaptierten Sollwerts für die Luftmasse als Führungsgröße für die Abgasrückführungs-Regelung, indem aus den ersten und zweiten Sollluftmassen oder aus den ersten und zweiten Sollabgasrückführungsraten ein gewichteter Mittelwert gebildet wird.
  • In diesem Fall weist der Verbrennungsmotor also eine Abgasrückführungs-Regelung auf. Die erste und zweite Sollluftmasse (d. h. Frischluft) sind dabei jeweils die dem Verbrennungsmotor zuzuführenden Sollluftmassen vor der AGR-Zumischung. Die ggfs. adaptierten Variablen wie Luftmasse, Ladedruck, volumetrischer Wirkungsgrad, Lambdawert, Einspritzmenge usw. fließen in die Steuerung der Verbrennungskraftmaschine ein, entweder um direkt als Regelgröße verwendet zu werden oder um die Führungsgrößen bzw. Sollwerte zu berechnen. Das Problem der dynamischen angepassten Sollluftmasse als Führungsgröße für die AGR-Regelung sowie der optimale Kompromiss zwischen NOx- und Partikelemissionen des Motors wird gemäß diesem zweiten Aspekt der Erfindung dadurch gelöst, dass zunächst eine vorläufige Sollluftmasse berechnet wird, die eine 100%-Priorisierung der Sauerstoff-Konzentration im Saugrohr des Verbrennungsmotors repräsentiert. Diese Sollluftmasse führt zu sehr günstigen NOx-Emissionen. Weiterhin wird die Sollluftmasse auch klassisch über Kennfelder im wesentlichen lastabhängig berechnet, wobei dieses einer 100%-Priorisierung des Luft-/Kraftstoffverhältnisses bzw. Lambdawert bzw. Sauerstoffkonzentration nach der Verbrennung (im Auslasskrümmer des Verbrennungsmotors) entspricht. Diese Sollluftmasse führt zu sehr günstigen Partikelemissionen. Anstelle der ersten und zweiten Sollluftmasse ist es auch möglich, eine erste und zweite Sollabgasrückführungsrate mit einer entsprechenden Priorisierung der Sauerstoffkonzentration vor bzw. nach der Verbrennung zu verwenden.
  • Zum Finden des gewünschten Kompromisses zwischen NOx- und Partikelemission werden die beiden gegensätzlich priorisierten Sollluftmassen über eine gewichtete Mittelwertbildung addiert. Der auf diese Weise ermittelte adaptierte Sollwert für die dem Motor zuzuführende Luftmasse (nach der AGR-Zumischung) dient dann als Führungsgröße für die Abgasrückführungsregelung.
  • Mit der Gewichtung wird eine situationsangepasste Priorisierung der beiden Zielgrößen Sauerstoffkonzentration vor und nach der Verbrennung im Verbrennungsmotor realisiert. Gemäß diesem Aspekt der Erfindung wird ein guter dynamischer Ausgleich zwischen der geforderten Zumessung von Frischluftmenge und zugeführter Abgasmenge realisiert. Insbesondere im instationären Motorbetrieb wird ein guter Kompromiss realisiert zwischen der Absenkung der Sauerstoffkonzentration auf der Motoreinlassseite zur NOx-Reduzierung und ausreichend Restsauerstoff im Abgas für eine vollständige rußarme Verbrennung und damit geringen Partikelemissionen. Auch im dynamischen Motorbetrieb wird der gewünschte NOx-Partikel-Trade-Off somit zuverlässig und flexibel realisiert, wobei die Emissionen insgesamt verringert werden.
  • Die Gewichtung kann in Abhängigkeit von dem Motorbetriebszustand und/oder einer das dynamische Verhalten der Brennkraftmaschine beschreibenden Dynamikkenngröße erfolgen. Auf diese Weise kann der gewünschte Kompromiss zwischen NOx- und Partikelemissionen individuell und abhängig von dem jeweiligen Betriebszustand der Brennkraftmaschine gewählt werden. Als Dynamikkenngröße kann beispielsweise ein funktionaler Zusammenhang aus Drehzahlgradient und Lastgrößen-Gradient dienen.
  • Nach einer weiteren Ausgestaltung können die erste Sollluftmasse oder die erste Sollabgasrückführungsrate in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine, insbesondere des Ladedrucks, der Einspritzmenge, der Ladelufttemperatur, der Abgasrückführungstemperatur, des Zylindervolumens des Verbrennungsmotors und/oder des volumetrischen Wirkungsgrads, bestimmt werden. Auf diese Weise kann die Berechnung des adaptierten Sollwerts für die dem Verbrennungsmotor zuzuführende Luftmasse als Führungsgröße für eine Abgasrückführungsregelung in besonders flexibler Weise bestimmt werden.
  • Die erste Sollluftmasse kann dabei aus einer Sollsauerstoffkonzentration vor der Verbrennung (und nach der AGR-Zumischung) in dem Verbrennungsmotor bestimmt werden. Gemäß dieser Ausgestaltung kann eine Sollsauerstoffkonzentration vor der Verbrennung, beispielsweise im Einlasskrümmer des Mo tors, durch eine Kennfeldstruktur in Abhängigkeit des Betriebszustandes des Motors berechnet werden. Auf Basis der Sollsauerstoffkonzentration vor der Verbrennung und aktueller Motorbetriebsgrößen wie Ladedruck, Einspritzmenge, Ladelufttemperatur, AGR-Temperatur, volumetrischer Wirkungsgrad etc. kann die erste Sollluftmasse berechnet werden. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass die Sauerstoffkonzentration vor der Verbrennung eine charakteristische Größe zur Beschreibung der Wirksamkeit der NOx-Reduzierung bzw. der NOx-Emissionen ist. Anstatt die Sollsauerstoffkonzentration vor der Verbrennung modellbasiert zu berechnen und als Regelgröße zu verwenden, ist die Umrechnung der Sollsauerstoffkonzentration in eine Sollluftmasse vorteilhaft für die anschließende Priorisierung und besonders schnell, insbesondere schneller als eine Beobachterregelung. Alternativ oder zusätzlich kann die erste Sollluftmasse auch aus einer Sollabgasrückführungsrate bestimmt werden.
  • Die Berechnung der ersten Sollluftmasse wird anhand des folgenden Beispiels erläutert:
    Die erste Sollluftmasse mair,sp,O2 (sp = Setpoint) ist dabei eine Funktion der Sollsauerstoffkonzentration O2,sp vor der Verbrennung und nach der AGR-Zumischung, der Lufttemperatur vor der AGR-Zumischung Tair, der Temperatur des rückgeführten Abgases TEGR, des volumetrischen Wirkungsgrades ηVol, des Zylindervolumens Vcyl, des Eingangsdrucks p2i sowie der Kraftstoffmasse pro Hub mF: mairsp,O2 = f(O2,sp, Tair, TEGR, ηvol, Vcyl, p2i, mF)
  • Eine vorteilhafte modellbasierte Berechnung ist Folgende:
    Figure 00160001
  • Die erste Sollluftmasse kann dabei für unterschiedliche Sensorkonfigurationen berechnet werden. Ebenso können bestimmte Größen, wie beispielsweise die Temperatur des rückgeführten Abgases TEGR ersatzweise über ein Modell berechnet werden.
  • Der adaptierte Sollwert für die Luftmasse kann durch einen Luftmassenmindestwert nach unten begrenzt werden. Diese Mindestluftmasse basiert dabei auf einem Mindestlambdawert. Gemäß dieser Ausgestaltung wird eine ungünstige Kalibration der Sollluftmassen-Priorisierung so begrenzt, dass beispielsweise bei einer maximalen Drehmomentanforderung (Kickdown) in jedem Fall die erforderliche maximale Luftmasse zur Verfügung steht.
  • Die beiden beschriebenen erfindungsgemäßen Aspekte können miteinander kombiniert werden. Insbesondere kann für die Bestimmung des adaptierten Sollwerts für die Luftmasse gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung ein oder mehrere gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung adaptierte Messwerte und/oder Modellparameter berücksichtigt werden. In besonders vorteilhafter Weise können die erste Sollluftmasse oder die erste Sollabgasrückführungsrate mit den adaptierten Messwerten und/oder Modellparametern gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung berechnet werden. Dabei können beispielsweise der adaptierte volumetrische Wirkungsgrad, die adaptierte gemessene Einspritzmenge, der adaptierte gemessene Ladedruck usw. berücksichtigt werden.
  • Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben:
    Zur gleichzeitigen Adaption mehrerer Messwerte und/oder Modellparameter werden zwei Modellgleichungen so umgeformt, dass auf einer Gleichungsseite eine 1 steht. Zur Darstellung der Inkonsistenz der Messwerte und Modellparameter wird jeweils ein Gesamtfehlerfaktor eingeführt, der die 1 ersetzt.
  • Für das Ansaugverhalten des Verbrennungsmotors ergibt sich folgendes Modell (intake model):
    Figure 00170001
  • Für die Verbrennung in dem Verbrennungsmotor ergibt sich folgendes Modell (combustion model):
    Figure 00170002
  • Anschließend werden die Gesamtfehlerfaktoren Fintake,mdl und Fcombust,mdl als individuelle Korrekturfaktoren cair, cη, cP, cF und cλ auf die zugehörigen zu adaptierenden Messwerte bzw. Modellparameter verteilt, um die Konsistenz der Modelle herzustellen:
    Figure 00170003
  • Dabei bezeichnen:
    • cair
    Korrekturfaktor für die Luftmasse (correction factor for air mass flow),
    cη
    Korrekturfaktor für den volumetrischen Wirkungsgrad (correction factor for volumetric efficiency),
    cP
    Korrekturfaktor für den Eingangs- bzw. Ladedruck (correction factor for boost pressure),
    cF
    Korrekturfaktor für die Einspritzmenge (correction factor for fuel injection mass),
    cλ
    Korrekturfaktor für Abgas-Lambdawert (correction factor for lambda exhaust gas)
  • Im nächsten Schritt werden die Gewichtungsfaktoren für die Korrekturfaktoren berechnet. Die Korrekturfaktoren sind dabei Funktionen der jeweiligen Gesamtfehlergröße sowie der Gewichtungsfaktoren. Es bezeichnen:
    • wη
    Gewichtungsfaktor für die Korrektur des volumetrischen Wirkungsgrades,
    wp
    Gewichtungsfaktor für die Korrektur des Ladedrucks bzw. Eingangsdrucks,
    wF
    Gewichtungsfaktor für die Korrektur der Einspritzmenge,
    wλ
    Gewichtungsfaktor für die Korrektur des Lambdawerts,
    wintake
    Gewichtungsfaktor für den Ausgleich zwischen dem Eingangs- und Verbrennungsmodell (balancing between intake and combustion model).
  • Auf Grundlage des Eingangsmodells (intake model) ergeben sich durch zwei Iterationen die Gewichtungsfaktoren: Erste Iteration:
    Figure 00180001
    Zweite Iteration:
    Figure 00190001
  • Auf Grundlage des Verbrennungsmodells (combustion model) ergeben sich die Gewichtungsfaktoren aufgrund der folgenden beiden Iterationen: Erste Iteration:
    Figure 00190002
    Zweite Iteration:
    Figure 00190003
  • In den Iterationen bezeichnen die Zusätze ' und '' jeweils Zwischenergebnisse der Iterationen. Für die Luftmasse wurde bei dem Eingangsmodell der Index „air1” gewählt und bei dem Verbrennungsmodell der Index „air2”.
  • Anschließend kann durch eine ausgleichende Adaption zwischen dem Ansaugverhalten- und Verbrennungsmodell eine Berechnung der jeweiligen gewichteten Korrekturfaktoren erfolgen:
    Figure 00200001
  • Zur Bestimmung eines adaptierten Sollwerts für die einem Verbrennungsmotor zuzuführende Luftmasse als Führungsgröße für eine Abgasrückführungsregelung dient das folgende Beispiel:
    Zunächst wird eine erste Sollluftmasse mair,sp,O2 berechnet, die zu einer optimalen Sauerstoffkonzentration vor der Verbrennung in dem Verbrennungsmotor führt:
    Figure 00210001
  • Dabei ist die Temperatur Tair die Lufttemperatur in dem Luftpfad vor dem Verbrennungsmotor und vor der Zumischung des rückgeführten Abgases. Alternativ könnte auch die Temperatur Tcyl,up, vor dem Verbrennungsmotor jedoch nach der Zumischung des rückgeführten Abgases dienen. In diesem Fall berechnet sich die erste Sollluftmasse folgendermaßen:
    Figure 00210002
  • In den genannten Gleichungen bezeichnen O2,sp die Sollsauerstoffkonzentration vor dem Verbrennungsmotor jedoch nach der Zumischung des rückgeführten Abgases.
  • Eine weitere Alternative der Berechnung einer ersten Sollluftmasse ist, diese abhängig von einer optimalen Soll-AGR-Rate rEGR,sp zu ermitteln, welche im transienten Motorbetrieb zu günstigen NOx-Emissionen führt:
    Figure 00210003
  • Ebenso ist die Berechnung möglich bei einer gemessenen Temperatur Tcyl,up, vor dem Verbrennungsmotor:
    Figure 00210004
  • Anschließend kann in klassischer Weise eine zweite Sollluftmasse bestimmt werden, die zu einer optimalen Sauerstoffkonzentration nach der Verbrennung in dem Verbrennungsmotor führt. Aus den beiden ermittelten ersten und zweiten Sollluftmassen kann dann ein adaptierter Sollwert für die Luftmasse als Führungsgröße für die Abgasrückführungsregelung berechnet werden, indem aus den beiden Sollluftmassen ein gerichteter Mittelwert gebildet wird. Die Gewichtung kann beispielsweise abhängig vom Motorbetriebszustand erfolgen und so flexibel auf die jeweiligen Bedingungen zugeschnitten werden. Bei der Berechnung der ersten Sollluftmasse können adaptierte Messwerte und/oder Modellparameter herangezogen werden.

Claims (8)

  1. Verfahren zur Bestimmung von korrigierten Messwerten und/oder adaptierten Modellparametern zur Steuerung des Luftpfads von Verbrennungsmotoren, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Messwerte und/oder Modellparameter gleichzeitig korrigiert/adaptiert werden, indem mindestens eine Gesamtfehlergröße, die eine Inkonsistenz der Messwerte und Modellparameter beschreibt, in individuelle Korrekturgrößen für die zu korrigierenden Messwerte und/oder zu adaptierenden Modellparameter aufgeteilt wird und diese Korrekturgrößen auf die zu korrigierenden Messwerte und/oder zu adaptierenden Modellparameter angewendet werden, während bei der Ermittlung der individuellen Korrekturgröße eines zu korrigierenden Messwerts und/oder zu adaptierenden Modellparameters eine Gewichtung in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors und/oder des Alters des Verbrennungsmotors erfolgt.
  2. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die individuellen Korrekturgrößen betriebspunkabhängig gelernt werden und vorzugsweise in Kennfeldern abgespeichert werden.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Gesamtfehlergröße mittels mindestens einer Modellgleichung bestimmt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Modellgleichung die Verbrennung in dem Verbrennungsmotor beschreibt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Modellgleichung das Ansaugverhalten des Verbrennungsmotors beschreibt.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die korrigierten Messwerte und/oder adaptierten Modellparameter als Regelgrößen und/oder als Eingangsgrößen zur Berechnung von Steuerungs- und Regelgrößen verwendet werden.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Korrekturgröße für eine geschätzte Einspritzmenge weitere Lastgrößen des Verbrennungsmotors adaptiert werden.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Korrekturgröße für einen volumetrischen Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors ein Ladedrucksollwert für den Verbrennungsmotor derart adaptiert wird, dass ein verringerter volumetrischer Wirkungsgrad zu einem höheren Ladedrucksollwert führt, um eine verringerte Zylinderfüllung auszugleichen.
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