DE102008012607B4

DE102008012607B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung eines Adaptionswertes für die Einstellung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnis eines Einspritzsystems eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102008012607B4
Application number: DE200810012607
Authority: DE
Inventors: Johannes Beer; Dr. Kainz Josef
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2008-03-05
Filing date: 2008-03-05
Publication date: 2013-03-14
Anticipated expiration: 2028-03-06
Also published as: DE102008012607A1

Abstract

Verfahren zur Steuerung einer Einspritzung eines Verbrennungsmotors mit einer Lambdaregelung und mit einer Kraftstoffregelung, wobei eine in einen Ansaugtrakt bzw. in einen Zylinder des Verbrennungsmotors einströmende Luftmasse und eine eingespritzte Kraftstoffmenge mit Hilfe eines Modells ermittelt wird und basierend auf dem Modell für einen Betriebspunkt ein Sollwert für ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Einspritzung vorgegeben wird, wobei ein Lambdawert eines Abgases der Verbrennung zur Beobachtung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses erfasst wird und eine Lambdaregelung (22) zur Korrektur des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses verwendet wird, wobei – während des Betriebs des Verbrennungsmotors (1) Messwerte der Lambdasonde (21) verwendet werden, um eine Abweichung vom vorgegebenen Sollwert des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zu ermitteln, – die ermittelte Abweichung als Adaptionswert in Abhängigkeit von wenigstens einem Betriebsparameter ermittelt und gelernt wird, – der Adaptionswert bezüglich der Ursache analysiert und dem Luftpfad und/oder dem Kraftstoffpfad zugeordnet wird und – der Adaptionswert entsprechend der Zuordnung zur Korrektur der Vorsteuerung der Einspritzung und/oder...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Einspritzung bzw. eine Vorrichtung zur Ermittlung eines Adaptionswertes für die Einstellung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnis eines Einspritzsystems eines Verbrennungsmotors nach der Gattung der nebengeordneten Ansprüche 1 und 11. Es ist bereits bekannt, dass bei heutigen Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen ein Lastsensor verwendet wird, mit dem die im Ansaugtrakt angesaugte Luftmasse bestimmt wird. Als Lastsensor wird üblicherweise ein Luftmassenmesser zur Messung des angesaugten Luftstromes und/oder ein Drucksensor zur Erfassung eines Saugrohrdrucks im Ansaugtrakt verwendet. Mit Hilfe dieser Sensoren wird die in einen Zylinder des Verbrennungsmotors angesaugte Luftmasse ermittelt und darauf abgestimmt die erforderliche Kraftstoffmenge für einen stöchiometrischen Betrieb eingespritzt. Der stöchiometrische Betrieb ist erforderlich, um vorgegebene gesetzliche Anforderungen an die Abgasemissionen zu erreichen. Des weiteren ist bekannt, dass mit Hilfe der Messwerte der Sensoren eine umfangreiche Fehlerdiagnose durchgeführt werden kann, um mögliche Ursachen von Systemfehlern zu erkennen.
Der genannte Lastsensor stellt einen nicht unerheblichen Kostenfaktor dar und somit werden die Herstellungskosten für ein Kraftfahrzeug erheblich verteuert. Insbesondere bei kleineren Motoren, die beispielsweise bei preiswerten Kraftfahrzeugen eingebaut werden und die insbesondere in Schwellenländern weit verbreitet sind, sind diese Mehrkosten unerwünscht.
Aus der DE 40 01 494 A1 ist ein Kraftstoff-Luftverhältnis-Überwachungssystem mit einem Drehzahlsensor zur Aufnahme der Maschinendrehzahl, mit einem Mischungsverhältnissensor zur Aufnahme des Kraftstoff-Luftverhältnisses der Maschine, mit einem Einspritzsystem und mit einem Luftmengenmesssystem, das einen Luftmengensensor zur Aufnahme einer Ansaugluftmenge aufweist, bekannt.
Aus der DE 10 2006 010 710 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei die der Brennkraftmaschine zugeführte Luftmasse mittels eines theoretischen Modells bestimmt wird. Dabei wird in Abhängigkeit des Betriebszustands der Brennkraftmaschine das zur Bestimmung der Luftmasse verwendete Modell ausgewählt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Ermittlung eines Adaptionswertes für die Einstellung eines geeigneten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines Einspritzsystems eines Verbrennungsmotors zu vereinfachen und somit das Einspritzsystem kostengünstiger herzustellen. Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche 1 und 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der Vorrichtung zur Ermittlung eines Adaptionswertes für die Einstellung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnis eines Einspritzsystems mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüchen 1 und 11 ergibt sich der Vorteil, dass auf einen kostenintensiven Lastsensor verzichtet werden kann. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist daher weder ein Luftmassenmesser noch ein Drucksensor zur Messung eines Saugrohrdrucks erforderlich. Dadurch kann das Einspritzsystem sehr viel kostengünstiger hergestellt werden. Insbesondere Motoren mit einer geringen Systemkomplexität lassen sich sehr viel preiswerter konstruieren und herstellen, da der Lastsensor durch ein gespeichertes Modell und eine entsprechende Adaption von gelernten Korrekturwerten ersetzt werden kann. Die kostengünstigen Motoren sind insbesondere für Fahrzeuge geeignet, die beispielsweise in Schwellenländern weit verbreitet sind. Dabei wird als besonders vorteilhaft angesehen, dass die Abgasemissionen etwa das gleiche Qualitätsniveau erreichen wie bei einem mit einem Lastsensor ausgerüsteten Einspritzsystem.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in den nebengeordneten Ansprüchen 1 und 11 angegebenen Verfahrens bzw. der Vorrichtung gegeben. Als besonders vorteilhaft wird angesehen, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren der Adaptionswert für den Lambda-Regler lediglich in Abhängigkeit von der Motordrehzahl und/oder einer auf Basis eines Modells ermittelten Motorlast bestimmt wird. Somit kann auf einfache Weise für jeden Betriebspunkt des Verbrennungsmotors die geeignete einzuspritzende Kraftstoffmenge errechnet werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, dass der Adaptionswert in einem Steuergerät als Lambda-Regeleingriff bestimmt wird. Dadurch wird der Lambda-Regler entlastet, was zu geringeren Reglerhüben und damit zu einer schnelleren Ausregelung von Gemischabweichungen führt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Lambda-Regeleingriff abgestimmt wird auf die Fehlerursache, die entweder im Kraftstoffpfad oder im Luftpfad auftreten kann. Insbesondere ist vorgesehen, dass ein relativer Fehler im Kraftstoffpfad, beispielsweise bei einer ungeeigneten Steigung einer Injektorkennlinie korrigiert wird.
Bei einem Offsetfehler im Kraftstoffpfad ist vorgesehen, dass der Lambda-Regeleingriff nach der Formel FAC_LAM_COR = –100·MFF_OFS/MFF_SP bestimmt wird. In der Formel wird der Offsetfehler der Kraftstoffmasse mit einem vorgegebenen Sollwert der Kraftstoffmasse verglichen. Bei einer Abweichung wird eine entsprechende Korrektur durchgeführt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein relativer Fehler im Luftpfad durch eine einfache Formel FAC_LAM_COR = â korrigiert werden kann. Beispielsweise kann auf diese Weise ein fehlerhaft gemessener Umgebungsdruck bei einer überkritischen Strömung an der Drosselklappe erkannt und entsprechend korrigiert werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, dass ein Offset-Fehler im Luftpfad mit der Formel FAC_LAM_COR = 100·MAF_OFS/MAF_SP bestimmt wird. Bei dieser Formel wird der Offsetfehler des Luftmassenstroms mit dem vorgegebenen Sollwert des Luftmassenstroms verglichen. Bei einer Abweichung kann somit eine sehr einfache Korrektur durchgeführt werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die verschiedenen Ursachen für die Gemischfehler in Abhängig keit vom Betriebspunkt mit Hilfe eines Algorithmus ermittelt werden. Hierzu wird eine Adaptionsfunktion
verwendet. Bei dieser Adaptionsfunktion treten drei Terme auf, mit denen ein Faktorfehler im Luftpfad/Kraftstoffpfad, ein Offset-Fehler im Kraftstoffpfad und ein Offsetfehler im Luftpfad erkannt werden kann. Bei iterativen Messungen kann mit Hilfe dieser Adaptionsfunktion eine Zuordnung des Adaptionswertes zu einer bestimmten Fehlerquelle erreicht werden. Durch die Unterscheidbarkeit verschiedener Fehlerursachen für die einzelnen Gemischfehler ergibt sich die Möglichkeit, dass eine gezielte Korrektur entweder im Luftpfad und/oder im Kraftstoffpfad durchgeführt werden kann.
Erfindungsgemäß ist des weiteren vorgesehen, dass der Algorithmus für die Adaption iterativ durchgeführt wird, wobei bei jedem Adaptionsschritt k ein aktualisierter Wert für einen oder mehrere Adaptionswerte w bestimmt werden.
Von Vorteil ist des weiteren, dass zur Korrektur des Faktor-Fehlers f(N, MAF) für den Anteil im Luft- beziehungsweise im Kraftstoffpfad eine Aufteilung durchgeführt wird. Dadurch können in vorteilhafter Weise beispielsweise Alterungseinflüsse einzelner Bauteile berücksichtigt werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
1 zeigt in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ermittlung eines Adaptionswertes für die Einstellung eines Luft-Kraftstoff-Luftverhältnisses,
2 zeigt einen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Algorithmus zur Adaption und
3 zeigt ein Diagramm mit mehreren gelernten Adaptionskurven.
Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung für ein Einspritzsystem eines Kraftfahrzeugs zu bilden, bei dem auf die Verwendung insbesondere eines Lastsensors, der zur Messung des Luftmassenstroms oder des Saugrohrdrucks bei bekannten Einspritzsystemen üblich ist, verzichtet werden kann. Dadurch kann das Einspritzsystem sehr viel kostengünstiger hergestellt werden, ohne dass einschlägige Emissionsvorschriften verletzt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren beruht im Wesentlichen auf einer Beobachtung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses mittels einer Lambda-Sonde, deren Messwerte durch Vergleich mit vorgegebenen Modellwerten in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors ausgewertet werden. Als Betriebsparameter wird eine aktuelle Drehzahl N und eine aktuelle Last MAF verwendet, wobei die Last MAF einem adaptierbaren Modell entnommen wird. Die beobachteten Abweichungen werden über eine Adaption im laufenden Motorbetrieb erlernt. Aufgrund der Struktur der Abweichungen wird versucht zu analysieren, ob die Ursache für die Abweichung im Luftpfad und/oder im Kraftstoffpfad aufgetreten ist. Auf Basis dieser Zuordnung werden iterativ Adaptionswerte ermittelt, die dann für eine Korrektur der Vorsteuerung des Einspritzsystems benutzt werden. Auf diese Weise kann in jedem Betriebszustand des Verbrennungsmotors sehr genau ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis eingestellt werden. Somit ist die Einhaltung relevanter Abgasvorschriften auch ohne Verwendung eines Lastsensors gewährleistet.
Im Nachfolgenden wird zunächst näher erläutert, welche Fehlersymptome für stationäre Gemischfehler sowohl im Kraftstoffpfad als auch im Luftpfad auftreten können und welche Auswirkungen zu erwarten sind.
Die in einen Ansaugtrakt bzw. in einen Zylinder eines Verbrennungsmotors einströmende Luftmasse und die eingespritzte Kraftstoffmenge (Kraftstoffmasse) wird mit Hilfe eines Modells simuliert. Mit Hilfe des Modells wird ein vorgegebener Sollwert für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (Lambdawert) vorgegeben. Auftretende Fehler in der Modellierung der Zylinderluftmasse und/oder der eingebrachten Kraftstoffmasse werden als Abweichung vom vorgegebenen Sollwert des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durch einen Lambda-Sensor erkannt, der im Abgasrohr in der Nähe des Zylinderausgangs angeordnet ist. Diese Abweichung wird einem Lambda-Regler zugeführt, der eine entsprechende Korrektur der einzuspritzenden Kraftstoffmenge veranlasst. Die Korrektur wird als Lambda-Regeleingriff FAC_LAM_COR bezeichnet und enthält die Summe der relativen Fehler bezüglich der Luftmasse und der Kraftstoffmasse. Für die Ermittlung des Lambda-Regeleingriffs FAC_LAM_COR wird eine nominelle Injektor-Kennlinie vorgegeben. Aufgrund der Injektor-Kennlinie wird eine eingespritzte Soll-Kraftstoffmasse MFF_SP entsprechend der Formel als Funktion der Öffnungszeit des Injektors TI angenommen: MFF_SP = c·Ti (1)
Darin ist die Konstante c ein Faktor für die Injektor-Kennlinie. Somit ergibt sich als realisierte Einspritzzeit mit einem Lambda-Regeleingriff TI_AV = MFF_SP/c·(1 + FAC_LAM_COR/100) (2)
Es können folgende Typen von Fehlern im Kraftstoffpfad unterschieden werden.
Relativer Fehler im Kraftstoffpfad:
Wenn die tatsächlich eingespritzte Kraftstoffmasse MFF_AV ungleich der Soll-Kraftstoffmasse MFF_SP ist, gilt als relativer Fehler (beispielsweise bei einer falschen Steigung c der Injektor-Kennlinie) MFF_AV = (1 + á/100)·c·Ti_AV (3)
Wenn der Fehler voll ausgeregelt ist, dann entspricht die tatsächlich eingespritzte Kraftstoffmenge MFF_AV der vorgegebenen Soll-Kraftstoffmenge MFF_SP. Diese Formel gilt angenähert für á << 100. Ti_AV ist die tatsächliche Öffnungsdauer des Kraftstoffinjektors.
Daraus ergibt sich für den Lambda-Regeleingriff FAC_LAM_COR = –á (4)
Offsetfehler im Kraftstoffpfad:
Bei einem Offset-Fehler wird bei einer verlängerten oder verkürzten Öffnungs- oder Schließzeit des Kraftstoffinjektors eine zusätzliche Differenz zur Kraftstoffmasse MFF_OFS nach der Formel MFF_AV = c·Ti_AV + MFF_OFS (5) eingespritzt. Daraus ergibt sich der Lambda-Regeleingriff FAC_LAM_COR = –100·MFF_OFS/MFF_SP (6)
Für stöchiometrische Verbrennung ist die Soll-Kraftstoffmenge MFF_SP proportional zur Zylinderluftmasse MAF_STK je Zyklus (Stroke, stk) in (mg/stk) und damit ist der Lambda-Regeleingriff FAC_LAM_COR proportional zum Offset-Fehler der Kraftstoffmasse MFF_OFS und indirekt proportional zur Luftmasse MAF_STK in mg/stk.
Relativer Fehler im Luftpfad:
Analog zum Kraftstoffpfad treten auch im Luftpfad Fehler auf, wenn der aus dem Modell berechnete (tatsächliche) Luftmassenstrom MAF_KGH ungleich dem vorgegebenen Sollwert MAF_SP ist. Ein relativer Fehler â tritt zum Beispiel auf, wenn der Umgebungsdruck bei überkritischer Strömung an der Drosselklappe falsch gemessen wird. Aus der Gleichung MAF_KGH = (1 + â/100)·MAF_SP (7) ergibt sich der Lambda-Regeleingriff FAC_LAM_COR = â (8)
Offsetfehler im Luftpfad:
Ein Offset-Fehler tritt im Luftpfad auf, wenn beispielsweise die Drosselklappe verschmutzt ist. Nach der Gleichung MAF_KGH = MAF_SP + MAF_OFS (9) ergibt sich für den Lambda-Regeleingriff FAC_LAM_COR = 100·MAF_OFS/MAF_SP (10)
Hieraus ergibt sich, dass der Lambda-Regeleingriff FAC_LAM_COR proportional zum Fehler des Luftmassen-Offsets MAF_OFS ist. Im Unterschied zum Fehler des Kraftstoffmassen-Offsets MFF_OFS ist die resultierende Lambda-Korrektur jedoch indirekt proportional zum Luftmassenstrom entsprechend der Gleichung MAF_SP = MAF_KGH – MAF_OFS (10a)
Die relativen Fehler im Luftpfad und Kraftstoffpfad führen gemeinsam zu einem konstanten relativen Lambda-Regeleingriff. Eine weitere Unterscheidung hinsichtlich der Ursache des Fehlers ist nicht möglich. Im Unterschied dazu haben die beiden Offset-Fehler des Luftpfads bzw. des Kraftstoffpfads eine Auswirkung auf den Lambda-Regler, die sich strukturell sowohl von den Faktor-Fehlern als auch, voneinander unterscheidet. Dieses eröffnet den Weg zu einer teilweisen Unterscheidung der Fehler, wenn das System in verschiedenen Betriebszuständen beobachtet werden kann. Daher ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass mehrere Durchläufe bei verschiedenen Arbeitspunkten des Verbrennungsmotors gefahren werden, wie später noch näher erläutert wird.
Gesamte Gemischfehler:
Wie oben dargelegt, ergibt sich aus den einzelnen Fehlerquellen ein gesamter Gemischfehler. Der gesamte Gemischfehler, dessen Ursachen zuvor beschrieben wurden, hat eine Auswirkung auf den Lambda-Regler. Dadurch unterscheidet sich das System ohne Lastsensor zu bekannten Systemen, bei denen ein Lastsensor verwendet wird. Bei den bekannten Systemen werden Fehler aus dem Luftpfad weitgehend durch Abgleich des Luftpfadmodells mit dem Lastsensor ausgeregelt, so dass sich – im Gegensatz zur Vorrichtung ohne Lastsensor – kein Einfluss auf den Lambda-Regler ergibt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der Vorrichtung ergibt sich – ohne Verwendung eines Lastsensors – für eine beliebige Kombination der zuvor beschriebenen Fehlerursachen annäherungsweise nach folgender Formel eine Lambda-Korrektur:
Anhand eines Ausführungsbeispiels der Erfindung wird nachfolgend erläutert, wie in Abhängigkeit vom Betriebspunkt des Verbrennungsmotors und der verschiedenen Gemischfehler-Ursachen ein Algorithmus für eine Adaptionsfunktion aufgebaut und für eine verbesserte Vorsteuerung verwendet werden kann.
Die Struktur der Adaptionsfunktion wird analog zur Gleichung (11) so gewählt, dass für die einzelnen Beiträge die oben gezeigte Abhängigkeit vom Betriebszustand erhalten bleibt. Daraus ergibt sich die Adaptionsfunktion:
Die drei Terme auf der rechten Seite der Gleichung 12 werden nachfolgend näher erläutert.
Der erste Term der Gleichung 12 betrifft den Faktor-Fehler im Luft-/Kraftstoffpfad. Die Korrekturen des Faktor-Fehlers im Luft- und Kraftstoffpfad hängen vom Betriebszustand des Verbrennungsmotors ab, insbesondere von der Drehzahl N und der Last MAF_STK. Die Drehzahl N wird mit einem Drehzahlsensor erfasst und die Last MAF_STK ist dem gespeicherten Modell entnehmbar. Für die beiden Faktor-Korrekturen, die ohne Lastsensor nur noch als Summe –á + â beobachtet werden können, wird eine Funktion f(N, MAF) angesetzt, wobei N die Drehzahl und MAF = MAF_STK ist. Diese Funktion wird nachfolgend durch zu adaptierende Werte w_i parametriert. Der Begriff STK bedeutet Masse pro Arbeitstakt (stroke).
Der zweite Term der Gleichung 12 ist durch den Offset-Fehler im Kraftstoffpfad gekennzeichnet. Wie bereits erwähnt, ist die daraus resultierende Faktor-Korrektur indirekt proportional zum Luftmassenwert MAF_STK eines Arbeitstaktes. Der Adaptionswert W_{MFF_OFS} ist die zugehörige Proportionalitätskonstante. Der Adaptionswert W_{MFF_OFS} ist somit proportional zum Fehler des Kraftstoffmassen-Offsets MFF_OFS.
Der dritte Term der Gleichung 12 entspricht einem Offset-Fehler im Luftpfad. Wie bereits erwähnt, ist dieser Gemischfehler indirekt proportional zum Soll-Luftmassenstrom MAF_SP (in Kg/h) und der entsprechende Adaptionswert W_{MSP_OFS} ist als zugehörige Proportionalitätskonstante gekennzeichnet. Der Adaptionswert W_{MAF_OFS} entspricht somit dem Offset des Luftmassenstroms.
Realisierung in einem (Motor)-Steuergerät:
Nachfolgend wird anhand 1 in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ermittlung eines Adaptionswertes für die Einstellung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses erläutert. Anschließend erfolgt eine Realisierung im Kontext der Motorsteuerung anhand der 2.
1 zeigt in schematischer Darstellung einen Verbrennungsmotor 1, beispielsweise einen Benzinmotor mit einem Zylinder 5, in dem ein Kolben 4 angeordnet ist, der von einer Pleuelstange 3 alternierend angetrieben wird und dabei den Kolben 4 aufwärts oder abwärts bewegt. Der Brennraum des Zylinders 5 ist über ein Saugrohr 12 mit einem Ansaugtrakt 10 bzw. mit einem Abgassystem 7 verbunden. Im Ansaugtrakt 10 ist zunächst ein Luftfilter 15 angeordnet. Dem Luftfilter 15 ist eine Drosselklappe 14 nachgeschaltet, mit der ein Luftstrom L mit einer entsprechenden Luftmasse innerhalb des Ansaugtraktes 10 beispielsweise direkt oder indirekt über ein Gaspedal steuerbar ist. Des weiteren ist das Abgassystem 7 über eine Abgasrückführung 8 und einem EGR-Ventil 9 mit dem Saugrohr 12 verbunden. Innerhalb des Saugrohres 12 ist der betriebspunktabhängige Saugrohrdruck pim vorhanden. Des weiteren ist ein Umgebungsdrucksensor 2 vorgesehen (AMP-Sensor), mit dem ein Umgebungsluftdruck pamb gemessen wird. Weiterhin ist am Saugrohr 12 ein Einlass 13 zur Kurbelgehäuseentlüftung vorgesehen. Der Brennraum des Zylinders 5 wird über ein Einlassventil E geöffnet bzw. geschlossen, so dass über das Einlassventil E die dem Zylinder 5 zugeführte Frischluft gesteuert werden kann. Des weiteren ist am Brennraum ein Auslassventil A vorgesehen, mit dem der Abgasstrom in Richtung eines Abgassystems 7 steuerbar ist. Weiterhin ist ein Kraftstoffinjektor 17 am Zylinder 5 (Zylinderkopf) angeordnet, mit dem die entsprechende Kraftstoffmenge eingespritzt werden kann.
Erfindungsgemäß ist des weiteren vorgesehen, dass am Ausgang des Zylinders 5 im Bereich des Abgassystems 7 eine Lambda-Sonde 21 angeordnet ist, mit dem der Restsauerstoff im Abgasstrom erfasst wird. Die Messwerte der Lambda-Sonde 21 sind ein Indikator für den Lambda-Wert des Luft-Kraftstoff-Gemisches. Die Lambda-Sonde 21 ist mit einem Motorsteuergerät (programmierbares Steuergerät) 20 verbunden, das die Messwerte der Lambda-Sonde 21 in Verbindung mit einem Lambda-Regler 22 aufbereitet, wie später noch näher erläutert wird. In dem programmierbaren Steuergerät 20 ist ein Programm mit einem Algorithmus gespeichert, mit dem entsprechend einer aktuellem Last aus Modellwerten des Luftpfades des Ansaugtrakts 10 eine erforderliche Kraftstoffmasse berechnet wird. Dazu ist das Steuergerät 20 mit dem Kraftstoffinjektor 17 verbunden, der entsprechend angesteuert werden kann. Des weiteren ist ein Speicher 23 vorgesehen, in dem Messdaten, Modelle und Programme mit dem Algorithmus (z. B. Block 31, 32) gespeichert sind. Des weiteren ist für das Steuergerät 20 ein Eingang für eine Drehzahl N vorgesehen. Es ist vorgesehen, dass der erfindungsgemäße Algorithmus vorzugsweise in einem bereits vorhandenen Motorsteuergerät 20 implementiert wird.
2 zeigt zwei unterschiedliche Strukturen zur Ermittlung eines Adaptionswertes für die Einstellung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses. Im oberen Teil von 2 (Block 31) wird in einem schnellen Zyklus, beispielsweise im 10 ms-Takt die Adaptionsfunktion ausgeführt, wie sie zuvor in Gleichung 12 beschrieben wurde. Die Adaptionsfunktion ist durch den Lambda-Regeleingriff FAC_LAM_COR geführt. Die Adaptionsfunktion wird in einem Block 35 mit Hilfe eines adaptiven neuronalen Netzes NN nachgebildet und stellt die durch Gleichung 12 dargestellte Funktion FAC_LAM_AD(N, MAF) dar. Dem Block 35 werden eingangsseitig entsprechend den Blöcken 33, 34 der aktuelle Drehzahlwert und der Modellwert für die Luftmasse MAF zugeführt. Als Ergebnis ergibt sich ein Lambda-Adaptionswert FAC_LAM_AD, der in Block 36 als Lambda-Korrekturwert zur Verfügung steht. Der Lambda-Korrekturwert FAC_LAM_AD wird einer Einheit LACO (entspricht dem Lambda-Regler) zugeführt. Der Lambda-Regler bildet die Gemischregelfunktion für die Kraftstoffeinspritzung unter Berücksichtigung des Lambda-Korrekturwertes FAC_LAM_AD, der auch als Lambda-Adaptionswert bezeichnet wird. Der ermittelte Lambda-Adaptionswert wird in der Gemischregelfunktion LACO als zusätzliche multikative Korrektur zur Vorsteuerung der einzuspritzenden Kraftstoffmasse übergeben.
Der untere Teil von 2 zeigt einen zweiten Zyklus, der in einem langsameren Zeitraster, beispielsweise alle 1000 ms, durchgeführt werden kann. Der untere Teil ist als Adaptionsteil 32 ausgebildet. Hier wird zunächst dem Block 39 die Gemischregelfunktion LACO zugeführt. Im Block 39 ist somit der Lambda-Regeleingriff FAC_LAM_COR enthalten. Des weiteren wird in Block 39 der Lambda-Regeleingriff FAC_LAM_COR weiter beobachtet mit dem Ziel, dass der Lambda-Istwert dem Lambda-Sollwert entspricht. Der Ausgang des Blocks 39 wird des weiteren mit dem Ausgang des Blocks 36 mit einem Addierer 38 verbunden. Aus dem Block 38 ergeben sich die Adaptionswerte für die momentanen Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors, die in Block 37 mit Hilfe des neuronale Netzes gewichtet und gelernt werden. Im Adaptionsteil 32 werden die Gewichte des adaptiven neuronalen Netzes immer dahingehend angepasst, dass stationär kein Lambda-Regeleingriff FAC_LAM_COR mehr erforderlich ist. Das heißt, dass im Idealfall die gesamte Korrektur der einzuspritzenden Kraftstoffmasse vom neuronalen Netz NN übernommen wird und so der auf dem Lambda-Signal basierende Lambda-Regler vollständig entlastet wird. Dies ermöglicht eine erhebliche Verbesserung des Emissionsverhaltens, da auch im dynamischen Betrieb emissionsverschlechternde Abweichungen von der erwünschten stöchiometrischen Zusammensetzung des Luft-Kraftstoff-Gemisches verhindert oder zumindest erheblich reduziert werden.
Adaptionsalgorithmus:
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Adaption, d. h. die Anpassung der Gewichte W_{MFF_OFS}, W_{MAF_OFS} vorzugsweise im bereits vorhandenen Motorsteuergerät durchgeführt wird. Die Lösung des Algorithmus erfolgt mit einem LMS-Algorithmus (least mean squares, Methode der kleinsten Fehlerquadrate). Bei diesem Algorithmus handelt es sich um einen echtzeitfähigen, iterativen Algorithmus zur Lösung eines Least-Squares-Regressionsproblems. Das Lösungsverfahren für den Algorithmus ist per se aus O. Nelles a. a. O., Seite 62 sowie aus B. Widrow & S. Steams, Adaptive Signal Processing, Prentice-Hall, London, 1985 bekannt. Für die Adaption werden mehrere Schritte benötigt. Bei jedem Adaptionschritt k-1 bis k wird für ein oder mehrere Adaptionswerte w_i ein aktualisierter Wert gemäß der Regel
berechnet. Hierbei ist χ_i ^(k) der i-te-Regressor zum Zeitpunkt k, der gemäß der geeignet zu wählenden Regeln berechnet wird. Die Schrittweiten η_i, bestimmen die Adaptionsgeschwindigkeit und sind durch geeignet zu wählende Kalibriergrößen realisiert. Für den Spezialfall χ_i ^(k) = 1 entspricht dieses Verfahren dem heute schon für die Lambda-Adaption verwendeten Vorgehen.
Adaption der Faktor-Anteile:
Im Nachfolgenden werden die Faktor-Anteile der Adaptionswerte entsprechend dem ersten Term der Formel 12 näher beschrieben. Die Funktion f(N, MAF) soll durch eine geringe Anzahl von Parametern darstellbar sein und ausreichende Flexibilität zur Darstellung unterschiedlicher Funktionen besitzen. Weiterhin soll die Parameteradaption in der Motorsteuerung stabil und mit geringem Aufwand durchführbar sein.
Zur Lösung dieses Problems wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung eine besonders geeignete Funktionsstruktur vorgeschlagen:
Der gesamte Last-/Drehzahlbereich wird in eine vorgegebene Anzahl M von rechteckigen Bereichen unterteilt, wobei jedem dieser Bereiche ein Adaptionswert w_i zugewiesen wird. In 3 wird ein Beispiel für eine solche Unterteilung gezeigt. In 3 ist ein Diagramm dargestellt, bei dem auf der X-Achse die Drehzahl N und auf der Y-Achse die Luftmasse pro Zyklus MAF_CYL aufgetragen sind. Das untere linke Rechteck in 3 entspricht dem Rechteck Nr. 1, die rechte Hälfte des großen Rechtecks ist das Rechteck Nr. 2, das große obere linke Rechteck von 3 entspricht dem Rechteck Nr. 3 und die drei kleinen linken Rechtecke von 3, die an das Recheck Nr. 1 angrenzen, entsprechen den Rechtecken Nr. 4, 5 und 6.
Über die Rechtecke verteilt verlaufen in Abhängigkeit von der Drehzahl N und der Last MAF_CYL eine Reihe von Kurven mit konstanten Adaptionswerten. Nach der Theorie gilt für ein Rechteck M der Adaptionswert, der in etwa durch seinen Mittelpunkt verläuft. In Richtung der Ränder ändert sich der Adaptionswert, so dass ein fließender übergang zum nächsten Rechteck M gegeben ist. Beispielsweise beträgt der Adaptionswert für das erste Rechteck w₁ = –16, für das zweite Rechteck w₂= –2, für das dritte Rechteck w₃= –7, für das vierte Rechteck w₄= –15, für das fünfte Rechteck w₅= –15 und für das sechste Rechteck w₆= –8. Die betreffenden Korrekturwerte sind in den einzelnen Rechtecken durch Kreise markiert.
Formal handelt es sich um ein neuronales Netz vom Typ lokales Modell Netz (LMN) mit M = 6 lokalen konstanten Modellen.
Erfindungsgemäß ist des weiteren vorgesehen, dass für die Adaption der Offset-Anteile für die Kraftstoffmasse und die Luftmasse entsprechend den Termen 2 und 3 in Gleichung 12 ebenfalls mit dem LMS-Algorithmus durchgeführt wird, wie es zuvor entsprechend der Gleichung 13 erläutert wurde.
Für die Adaption sind folgende Aktivierungsbedingungen vorgesehen, um die Stabilität der Adaption zu gewährleisten. Die oben beschriebenen Adaptionsschritte werden vorzugsweise nur durchgeführt,

– wenn der Verbrennungsmotor warm ist und die Kühlwassertemperatur größer ist als ein vorgegebener Schwellwert,
– wenn kein oder nur ein geringer Kraftstoffeintrag durch die Tankentlüftung entsteht,
– bei einem stationären Betrieb des Verbrennungsmotors mit begrenzter Drehzahl- oder Lastveränderung,
– wenn der Lambda-Regler aktiv ist bzw. bei einem System mit Lambda-Sprungsonde eine Adaption nur bei stöchiometrischem Betrieb erfolgt,
– wenn keine Schubabschaltung aktiviert ist und
– wenn der Regressor größer als der Schwellwert ist, der für jeden Regressor geeignet zu wählen ist.

Korrektur von Luft- und Kraftstoffpfad:
Bisher wurde davon ausgegangen, dass die adaptierten Korrekturen ausschließlich für eine Korrektur des Kraftstoffpfades eingesetzt werden. Unter Einführung der Bezeichnungen FAC_LAM_AD_COR für die Korrektur im Kraftstoffpfad und MAF_OFS für die Korrektur im Luftpfad galt also bislang FAC_LAM_AD_COR = FAC_LAM_AD(N, MAF) MAF_OFS = 0 (14)
Hierbei wird FAC_LAM_AD gemäß Gleichung 12 berechnet.
Bezüglich des MAF-Offset-Anteils bietet es sich jedoch an, den Fehler am Ort seiner Ursache, also im Luftpfad zu korrigieren. In Erweiterung von Gleichung 14 ergibt sich somit folgende Vorschrift für die Berechnung einer Korrektur im Luft- und Kraftstoffpfad:
Die additive Korrektur im Luftpfad MAF_OFS korrigiert gemäß Gleichung 9 den Luftmassen-Sollwert MAF_SP, so dass sich der korrigierte Luftmassen-Modellwert MAF_KGH ergibt.
Unter Ausnutzung von Vorwissen über typische Toleranzen im Luft- und Kraftstoffpfad ist eine noch weitergehende Aufteilung der gelernten Korrekturen vorteilhaft. So kann man mit einer geeignet zu wählenden Kalibrierkonstanten C_FAC_DISTR eine beliebige Aufteilung der Faktor-Korrektur f(N, MAF) sowohl auf dem Luftpfad als auch auf dem Kraftstoffpfad erreichen:
Bei Verschmutzung oder bekanntem Alterungsverhalten der relativen Bauteile kann C_FAC_DISTR auch abhängig von der Kilometerleistung des Fahrzeugs gewählt werden. So kann beispielsweise eine schnellere Alterung im Einspritzsystem im Vergleich zur Veränderung der Toleranzen im Luftpfad im Verlauf eines Fahrzeuglebens berücksichtigt werden.
Zusammenfassend lassen sich folgende Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens angeben:
Es wird zwischen verschiedenen Ursachen für Gemischfehler anhand unterschiedlicher Abhängigkeiten vom Betriebszustand unterschieden.
Die Adaption der einzelnen Toleranzen erfolgt mit einem stabilen und effizienten Verfahren.
Die Adaptionswerte können für die Vorsteuerungskorrektur im Luft- und/oder Kraftstoffpfad benutzt werden.
Dadurch wird auch ohne Lastsensor eine korrekte Vorsteuerung ermöglicht, so dass keine wesentliche Verschlechterung des Emissionsverhaltens zu erwarten ist.

Claims

Verfahren zur Steuerung einer Einspritzung eines Verbrennungsmotors mit einer Lambdaregelung und mit einer Kraftstoffregelung, wobei eine in einen Ansaugtrakt bzw. in einen Zylinder des Verbrennungsmotors einströmende Luftmasse und eine eingespritzte Kraftstoffmenge mit Hilfe eines Modells ermittelt wird und basierend auf dem Modell für einen Betriebspunkt ein Sollwert für ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Einspritzung vorgegeben wird, wobei ein Lambdawert eines Abgases der Verbrennung zur Beobachtung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses erfasst wird und eine Lambdaregelung (22) zur Korrektur des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses verwendet wird, wobei – während des Betriebs des Verbrennungsmotors (1) Messwerte der Lambdasonde (21) verwendet werden, um eine Abweichung vom vorgegebenen Sollwert des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zu ermitteln, – die ermittelte Abweichung als Adaptionswert in Abhängigkeit von wenigstens einem Betriebsparameter ermittelt und gelernt wird, – der Adaptionswert bezüglich der Ursache analysiert und dem Luftpfad und/oder dem Kraftstoffpfad zugeordnet wird und – der Adaptionswert entsprechend der Zuordnung zur Korrektur der Vorsteuerung der Einspritzung und/oder der Luftmasse verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Adaptionswert in Abhängigkeit von einer Motordrehzahl (N) und/oder einer Motorlast (MAF) des Verbrennungsmotors (1) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Adaptionswert in einem Steuergerät (20) als Lambda-Regeleingriff (FAC_LAM_COR) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung eines relativen Fehlers im Kraftstoffpfad ein Lambda-Regeleingriff nach der Formel FAC_LAM_COR = –á bestimmt wird, wobei der relative Fehler im Kraftstoffpfad, beispielsweise eine ungeeignete Steigung einer Injektorkennlinie ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung eines Offsetfehlers im Kraftstoffpfad ein Lambda-Regeleingriff nach der Formel FAC_LAM_COR = –100·MFF_OFS/MFF_SP bestimmt wird, wobei MFF_OFS/MFF_SP das Verhältnis vom Offsetfehler der Kraftstoffmasse zum vorgegebenen Sollwert der Kraftstoffmasse ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung eines relativen Fehlers im Luftpfad ein Lambda-Regeleingriff nach der Formel FAC_LAM_COR = â bestimmt wird, wobei â der relative Fehler im Luftpfad, beispielsweise ein fehlerhafter Umgebungsdruck bei überkritischer Strömung an der Drosselklappe ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung eines Offsetfehlers im Luftpfad ein Lambda-Regeleingriff nach der Formel FAC_LAM_COR = 100·MAF_OFS/MAF_SP bestimmt wird, wobei MAF_OFS/MAF_SP das Verhältnis vom Offsetfehler des Luftmassenstroms zum vorgegebenen Sollwert des Luftmassenstroms ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für verschiedene Gemischfehlerursachen folgende von einem Betriebspunkt abhängige Adaptionsfunktion gebildet wird
wobei der erste Term ein Faktorfehler im Luft/Kraftstoffpfad, der zweite Term ein Offsetfehler im Kraftstoffpfad und der dritte Term ein Offsetfehler im Luftpfad ist und wobei W_{MFF_OFS}, W_{MAF_OFS} Wichtungsfaktoren für die Anpassung der Kraftstoffmasse beziehungsweise der Luftmasse sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Adaptionsschritt k – 1 → k ein Adaptionswert nach der Regel berechnet wird:
wobei χ_i ^(k) ein geeigneter i-ter Regressor zum Zeitpunkt k und η_i die Schrittweite ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Korrektur eines Faktor-Fehlers f(N, MAF) im Kraftstoff- und im Luftpfad eine Aufteilung nach der Regel erfolgt:
für den Kraftstoffpfad MAF_OFS = W_{MAF_OES} + (1 – C_FAC_DISTR)·f(N, MAF)· MAS_SP / 100 für den Luftpfad, wobei C_FAC_DISTR eine Kalibrierkonstante, beispielsweise ein Alterungsfaktor ist.
Vorrichtung zur Ermittlung eines Adaptionswertes für ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis eines Einspritzsystems eines Verbrennungsmotors (1) eingerichtet für ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem programmierbaren Steuergerät (20), dadurch gekennzeichnet, dass ein Programm des Steuergerätes (20) mit einem Algorithmus ausgebildet ist, mit dem ein Adaptionswert in Abhängigkeit eines Betriebspunktes des Verbrennungsmotors (1) ermittelt und gelernt wird, – dass der Adaptionswert dem Luftpfad und/oder dem Kraftstoffpfad zugeordnet wird und dass der Adaptionswert entsprechend der Zuordnung zur Vorsteuerung des Einspritzsystems (17) und/oder der Luftmasse verwendet wird.