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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft allgemein das Betreiben von Verbrennungsmotoren basierend auf Messgrößen und aus den Messgrößen abgeleiteten Modellgrößen und insbesondere die Fehlerbehandlung bei Auftreten eines Fehlers bei einer oder mehreren der Messgrößen.
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Stand der Technik
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Zum emissionsoptimalen Betrieb von Verbrennungsmotoren werden Abgasrückführungen, Ladedruckregelung und geregelte Drosselklappe eingesetzt. Zur Durchführung der Regelungen werden physikalische Größen, die Systemzustände beschreiben, benötigt, die jedoch nicht in jedem Fall gemessen werden, sondern zumindest teilweise z.B. durch geeignete Modellfunktionen aus Messgrößen und/oder Stellgrößen ermittelt werden. Diese Modellfunktionen werden in einem Steuergerät gerechnet und bereitgestellt. Die verwendeten physikalischen Größen können also entweder direkt von Sensoren im Motorsystem erfasst sein oder mit Hilfe von Steuergerätefunktionen abgeleitet werden.
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Als Beispiele für modellierte, nicht gemessene Größen können z.B. der Gasdruck stromaufwärts der Drosselklappe, die Abgasrückführungsrate im Einlasskrümmer, der Gasmassenstrom stromabwärts des Einlasskrümmers sowie der Gasmassenstrom durch eine Drosselklappe genannt werden. Sollte eine oder mehrere der von der Modellfunktion zur Berechnung der modellierten Größe genutzten Eingangsgrößen aufgrund eines Fehlers nicht zur Verfügung stehen, hätte dies im Allgemeinen auch fehlerhafte Modellfunktionswerte zur Folge. In den nachfolgenden Funktionen, die die modellierten Werte verwenden (im Folgenden Nutzerfunktion genannt), würden durch die fehlerhaft modellierten Größen weitere Folgefehler entstehen.
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Aus der
DE 101 35 586 A1 ist ein Rekonfigarationsverfahren für ein Sensorsystem mit zumindest einem Satz von Beobachtern zur Ausfallkompensation und Sicherstellung einer Messwertgüte bekannt. Hierbei wird vorgeschlagen aus einem Vergleich eines Messwertes mit einer modellierten Größe auf eine Güte des Messwertes zu schließen.
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Aus der
DE 27 56 681 C2 ist ein Regelsystem für eine Gasturbinenanlage bekannt. Hierbei werden gemessene Regelgrößen mit berechneten Regelgrößen verglichen.
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Aus der
EP 1 020 699 A1 ist ein Flugkörper bekannt. Zur Erhöhung der Verfügbarkeit des Flugkörpers sind funktionswichtige Elemente redundant vorhanden. Zur Fehlerdetektion sind modellbasierte Mittel vorgesehen.
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Aus der
DE 10 2007 047 763 A1 ist ein Verfahren zum Anpassen eines Drehmoments für eine verbesserte Erkennung eines Nulldrehmoments bekannt. Hierbei ist die Verwendung eines Fehlerfortpfanzungsmodells zur Schätzung eines Drehmomentenfehlers vorgesehen.
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Es ist also Aufgabe der vorliegenden Erfindung, sicherzustellen, dass ein fehlerhaftes modelliertes Signal bzw. fehlerhafte Messgrößen nicht Folgefehler in nachgelagerten Nutzerfunktionen hervorrufen.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie durch die Vorrichtung gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors vorgesehen. Das Verfahren umfasst die Schritte:
- - Bereitstellen von mehreren Eingangsgrößen;
- - Feststellen, ob eine oder mehrere der Eingangsgrößen fehlerhaft bereitgestellt werden;
- - Ermitteln einer Modellgröße gemäß einer regulären Modellfunktion anhand der mehreren Eingangsgrößen oder gemäß einer Ersatzmodellfunktion anhand einer Untermenge der mehreren Eingangsgrößen, die zumindest die fehlerhaften Eingangsgrößen nicht enthält, abhängig davon, ob eine oder mehrere der Eingangsgrößen fehlerhaft bereitgestellt werden oder nicht;
- - Betreiben des Verbrennungsmotors mittels der Modelgröße.
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Bei dem obigen Verfahren wird überwacht, ob Eingangsgrößen, wie z.B. Messgrößen und/oder Modellgrößen und/oder Stellgrößen und dgl., die von der regulären Modellfunktion genutzt werden, fehlerhaft sind. Im Fehlerfall wird mit den noch zur Verfügung stehenden ordnungsgemäßen Eingangsgrößen gemäß der Ersatzmodellfunktion eine bestmögliche physikalische Ersatzgröße berechnet. Die Ersatzgröße wird mithilfe eines Ersatzmodells berechnet und anstelle des Modellsignals an eine Nutzerfunktion ausgegeben bzw. bereitgestellt.
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Weiterhin kann die Ersatzmodellfunktion, gemäß der die Modellgröße ermittelt wird, aus mehreren verfügbaren Ersatzmodellfunktionen abhängig davon ausgewählt werden, welche der Eingangsgrößen fehlerhaft sind.
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Gemäß einer Ausführungsform wird die Modellgröße einer Nutzerfunktion bereitgestellt.
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Es kann vorgesehen sein, eine Modellqualitätsangabe als Angabe über die Qualität der verwendeten Ersatzmodellfunktion bzw. der Modellgröße der Nutzerfunktion bereitzustellen. Bei Auftreten eines Fehlers wird dann die Qualität der Ersatzgröße abhängig von den zur Verfügung stehenden ordnungsgemäßen Eingangsgrößen ermittelt und die Qualität separat an die Nutzerfunktion kommuniziert. Mithilfe der Modellqualitätsangabe erhält die Nutzerfunktion zusätzlich zu der mit Hilfe der Ersatzmodellfunktion modellierten Modellgröße eine Information darüber, wie zuverlässig die Modellgröße den tatsächlichen Zustand des Gesamtsystems beschreibt.
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Weiterhin kann die Nutzerfunktion abhängig von der Modellqualitätsangabe das Ausführen der Nutzerfunktion blockieren, teilweise ausführen bzw. vollständig ausführen.
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Weiterhin kann eine weitere Modellqualitätsangabe bezüglich einer weiteren Modellfunktion bereitgestellt werden, wobei die weitere Modellfunktion eine weitere Modellgröße bereitstellt, wobei die Modellqualitätsangabe abhängig von der weiteren Modellqualitätsangabe ermittelt wird. Dadurch kann eine serielle Anordnung mehrerer Modellfunktionen, die jeweils eine Modellqualitätsangabe bereitstellen, realisiert werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung vorgesehen, die zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist Computerprogrammprodukt vorgesehen, das einen Programmcode enthält, der, wenn er auf einer Datenverarbeitungseinheit ausgeführt wird, das erfindungsgemäße Verfahren ausführt.
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Figurenliste
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Motorsystems;
- 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Bestimmen einer Modellgröße für einen Verbrennungsmotor zur Realisierung einer Fehlerbehandlung für eine oder mehrere fehlerhafte Eingangsgrößen.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Nachfolgend werden die oben beschriebenen Verfahren am Beispiel einer Ladedruckregelung eines Motorsystems beschrieben.
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In 1 ist eine schematische Darstellung eines Motorsystems 1 mit einem Verbrennungsmotor 2, der mehrere Zylinder 3 aufweist, dargestellt. Dem Verbrennungsmotor 2 wird Luft über ein Luftzuführungssystem 4 zugeführt. Abgas wird von dem Verbrennungsmotor 2 über ein Abgassystem 5 abgeführt.
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Das Luftzuführungssystem 4 umfasst einen Luftmassensensor 6, einen Kompressor 7, der stromabwärts des Luftmassensensors 6 angeordnet ist, sowie eine Drosselklappe 8, die wiederum stromabwärts des Kompressors 7 angeordnet ist. Der Luftmassensensor 6 erfasst den Luftmassenstrom ṁl in das Luftzuführungssystem 4. Der Kompressor 7 wird mithilfe des Abgasstromes im Abgassystem 5 angetrieben, wobei der Ladedruck variabel einstellbar ist. Die Drosselklappe 8 steuert den Luftstrom von dem Kompressor in das Saugrohr 9 und damit die Luftfüllung in den Zylindern 3.
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Zwischen der Drosselklappe 8 und dem Verbrennungsmotor 2 befindet sich ein Saugrohr 9, in das eine Abgasrückführungsleitung 10 mündet, über die Abgas aus dem Abgassystem 5 in das Saugrohr 9 zurückgeführt wird. Die Menge des zurückgeführten Abgases wird über ein Abgasrückführungsventil 11 eingestellt. Zwischen dem Abgassystem 5 und dem Abgasrückführungsventil 11 ist ein Abgaskühler 12 angeordnet, um das rückgeführte Abgas zu kühlen. Das Saugrohr 9 entspricht einem Einlasskrümmer und ist der Abschnitt des Luftzuführungssystems 4, der sich von der Drosselklappe 8 bis unmittelbar zu den Einlassventilen des Verbrennungsmotors 2 erstreckt.
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Zur Ansteuerung des Motorsystems 1 mit Stellgrößen zum Einstellen des Kompressors 7, der Drosselklappe 8, des Abgasrückführungsventils 11 sowie der Einspritzmenge und bei Ottomotoren der Zündzeitpunkte ist ein Steuergerät 20 vorgesehen, das zur Durchführung der Ladedruckregelung, mit der der Ladedruck p21 stromaufwärts der Drosselklappe 8 eingestellt wird, die Eingangsgrößen Saugrohrdruck p22 stromabwärts der Drosselklappe 8, die Ladelufttemperatur T21 sowie den Luftmassenstrom ṁl erhält. Weiterhin sind für die Berechnung des Saugrohrdrucks p22 stromabwärts der Drosselklappe 8 die Ladelufttemperatur T21 , die Stellgröße der Drosselklappe 8 sowie der Luftmassenstrom ṁl erforderlich.
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In 2 ist ein Teil der Funktionalität des Steuergeräts 20 schematisch dargestellt, so dass das Verfahren zum Bereitstellen der Modellgröße veranschaulicht wird. Blöcke, die in dem Steuergerät 20 enthalten sind, realisieren jeweils einen Verfahrensschritt, um die Modellgröße bereitzustellen. Die Blöcke können als Hardware oder Software in dem Steuergerät 20 realisiert sein.
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Das Modell (Modellfunktion), mit dem der aktuelle Ladedruck p21 ermittelt wird, wird in einem Normalmodellblock 21 ermittelt. Dem Normalmodellblock 21 werden die für die reguläre Modellfunktion benötigten Eingangsgrößen, der Luftmassenstroms ṁl von dem Luftmassensensor 6, der gemessene oder vorab modellierte Saugrohrdruck p22 stromabwärts der Drosselklappe 8 sowie weitere Eingangsgrößen, wie z.B. der Ladelufttemperatur T21 und dgl. zugeführt. Die reguläre Modellfunktion des Normalmodellblockes 21 zur Modellierung des Ladedrucks ermittelt daraus eine Modellgröße des Ladedrucks P21_mod und stellt diese bereit.
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Die Eingangsgrößen, d.h. der Luftmassenstrom ṁl , der Saugrohrdruck p22 sowie die Ladetemperatur T21 und eventuell weitere Eingangsgrößen werden einer Überwachungseinheit 22 zugeführt, die die Eingangsgrößen auf Plausibilität überprüft und dadurch feststellen kann, ob eine der Eingangsgrößen fehlerhaft ist, z.B. aufgrund eines ausgefallenen Sensors (z.B. anhand eines vom Sensor generierten Status-Signals), einer fehlerhaften Signalleitung oder dgl. Alternativ können die entsprechenden Sensoren bzw. Detektoren auch direkt Fehlfunktionen erkennen und anstelle des fehlerhaften Messsignals ein den entsprechenden Fehler anzeigendes Fehlersignal an die Überwachungseinheit 22 kommunizieren.
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In der Überwachungseinheit 22 sind ein oder mehrere Ersatzmodellblöcke 23 zur Ermittlung einer Ladedruck-Ersatzgröße p21_ersatz anhand eines Ersatzmodells implementiert, das eine Angabe zu dem Ladedruck p21_ersatz mit einer geringeren Anzahl von Eingangsgrößen ermitteln und bereitstellen kann. Im vorliegenden Fall kennzeichnet der Ersatzmodellblock 23 eine Ersatzmodellfunktion, bei der der Ladedruck ohne Kenntnis des Luftmassenstroms ṁl ermittelt werden kann. Diese Ersatzgröße wird einer Auswahleinheit 24 zugeführt, die abhängig von dem Erkennen einer fehlerhaften Eingangsgröße entweder die Angabe über den Ladedruck p21_mod von dem Normalmodellblock 21 oder die Angabe über den Ladedruck p21_ersatz aus dem entsprechenden Ersatzmodellblock 23 gemäß einem Auswahlsignals AS auswählt und die ausgewählte Angabe über den Ladedruck p21 einem nachgeordneten Nutzerfunktionsblock 25 zuführt, der eine Nutzerfunktion ausführt.
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Für die Modellierung des Ladedrucks p21 kann im Fehlerfall folgendes Ersatzmodell verwendet werden: Bei niedriger Drosselung durch die Drosselklappe 8 kann der Ladedruck p21 als annähernd gleich dem Saugrohrdruck p22 angenommen werden.
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Dies gilt, wenn durch die Drosselklappe 8 kein signifikanter Druckunterschied zwischen p21 und p22 besteht. Diese Randbedingung kann beispielsweise durch die Überprüfung der Drosselklappenstellung mithilfe der der Drosselklappe 8 zugeführten Stellgröße (generiert in der Regel durch die Steuereinheit 20) sowie optional des Luftmassenstroms ṁl überprüft werden.
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Als weiteres Ausführungsbeispiel kann mithilfe des Normalmodellblocks 21 der Gasmassenstrom an der Drosselklappe 8 modelliert werden. Zur Berechnung des Gasmassenstrom ṁ2l an der Drosselklappe 8 sind als Eingangsgrößen der Ladedruck p21 bzw. der Saugrohrdruck p22 , die Ladelufttemperatur T21 sowie der Luftmassenstrom ṁl notwendig. Sollte eine oder mehrere dieser Eingangsgrößen ausfallen, entweder durch einen defekten Sensor oder eine weitere Fehlerquelle, wird dasErsatzmodell, das in dem Ersatzmodellblock 23 implementiert ist, verwendet. Statt dem modellierten Massenstrom wird direkt der Luftmassenstrom ṁl als Gasmassenstrom ṁ2l an der Drosselklappe 8 verwendet. Dieses Ersatzmodell unterscheidet sich vom Standardmodell, das zur Ermittlung des Gasmassenstroms ṁ2l über die Drosselklappe 8 verwendet wird, nur durch die fehlende Berücksichtigung der Ladedruckdynamik und bietet eine hohe Genauigkeit im stationären Zustand.
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Zur Berechnung eines weiteren Gasmassenstroms ṁ22 in das Saugrohr 9 bzw. dem Einlasskrümmer sind als Eingangsgrößen Angaben über den Saugrohrdruck p22 , die Ladetemperatur T21 , den Gasmassenstrom ṁ2l an der Drosselklappe 8, die Drosselklappenposition, sowie die Position des Abgasrückführungsventils 11 erforderlich. Sollte eine oder mehrere dieser Eingangsgrößen ausfallen, kann ein Ersatzmodell verwendet werden. Statt dem modellierten weiteren Gasmassenstrom ṁ22 nach dem Einlasskrümmer wird direkt der Gasmassenstrom ṁ2l an der Drosselklappe als weiterer Gasmassenstrom ṁ22 nach dem Einlasskrümmer ausgegeben. Als erste Randbedingung gilt hierfür, dass durch die Abgasrückführung kein signifikanter Gasmassenstrom fließen darf. Des Weiteren darf als zweite Randbedingung das Abgasrückführungsventil 11 nicht in einem geöffneten Zustand klemmen. Beide Randbedingungen werden durch Auslesen der Ventilstellung des Abgasrückführungsventils 11 sowie des Fehlerstatus des Abgasrückführungsventils 11 überprüft.
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In der Überwachungseinheit 22 können mehrere Ersatzmodellblöcke 23 implementiert sein, die jeweils mit verschiedenen Untermengen der Eingangsgrößen der regulären Modellfunktion (des Normalmodellblocks 21) eine entsprechende Angabe der Modellgröße bereitstellen kann.
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Die Überwachungseinheit 22 wertet allgemein die Status-Signale der Sensoren und Eingangsgrößen aus, selektiert den entsprechenden Ersatzmodellblock 23, wenn ein fehlerhafter Sensor erkannt wurde oder eine Eingangsgröße fehlt. Bei Bedarf kann die Überwachungseinheit 22 auch die erforderlichen Randbedingungen der implementierten Ersatzmodellfunktion auf Gültigkeit überprüfen.
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Die Überwachungseinheit 22 weist weiterhin eine Qualitätseinheit 26 auf, der alle Eingangsgrößen zugeführt werden und die z.B. durch eine vorgegebene Qualitätsfunktion z.B. in Form einer Look-up-Tabelle 27 ermittelt, welche Qualität die Modellgröße, die von der ausgewählten Ersatzmodellfunktion ermittelt wird, aufweist. So können beispielsweise unter den Eingangsgrößen Größen sein, die für die Ermittlung der Modellgröße unabdingbar sind, während weitere Eingangsgrößen nur lediglich dazu dienen, die Angabe über die Modellgröße mit einer höheren Genauigkeit zu modellieren. Entsprechend werden häufig die Angaben über die Modellgröße entsprechend den verschiedenen Ersatzmodellen unterschiedliche Qualitäten aufweisen. Dementsprechend generiert die Qualitätseinheit 26 eine Modellqualitätsangabe Q als Angabe über die Qualität des verwendeten Ersatzmodells bzw. der modellierten Modellgröße und gibt die Modellqualitätsangabe ebenfalls an den Nutzerfunktionsblock 25 aus.
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Die Nutzerfunktionen können vielfältig sein, wie z.B. die Ladedruckregelung, die Abgasrückführungsregelung, die Lambda-Regelung und dgl. Den entsprechend implementierten Funktionen wird die Modellqualitätsangabe Q zugeführt, die diese bei Durchführung der Nutzerfunktion berücksichtigt. Die Modellqualitätsangabe Q entspricht, wenn die Modellfunktion des Normalmodellblocks 21 verwendet wird, z.B. 1 bzw. 100% und im Falle, dass selbst mithilfe von Ersatzmodellen keine zuverlässige Angabe über die Modellgröße bereitgestellt werden kann, kann die Modellqualitätsangabe Q 0 bzw. 0% entsprechen. Auch andere Codierungen bezüglich der Modellqualitätsangabe Q sind denkbar.
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Die Modellqualitätsangabe Q wird in der Nutzerfunktion verarbeitet. Abhängig von der Modellqualitätsangabe Q können je nach Nutzerfunktion eine Notlauffunktion bzw. eine Einstellung des Betriebs der Nutzerfunktion oder des Verbrennungsmotors 2 vorgenommen werden. Dazu wird die Modellqualitätsangabe Q in einem Schwellwertvergleich mit einem applizierten Schwellwert verglichen und abhängig von dem Schwellwert entschieden, ob die bereitgestellte Ersatzmodellgröße in gewohnter Weise in dem Nutzerfunktionsblock 25 verarbeitet wird, ob eine Notlauffunktion, die u.U. (abhängig von der Güte des Ersatzmodells oder der Relevanz der Modellgröße) eine eingeschränkte Leistungsfähigkeit des Motorsystems 1 bereitstellt, eingenommen wird oder ob das Motorsystem 1 gestoppt wird, um eine Beschädigung des Verbrennungsmotors 2 zu vermeiden. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass wenn eine Notlauffunktion eingenommen wird, die Dynamik des Verbrennungsmotors 2 reduziert wird.
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Auch kann die Modellqualitätsangabe Q als Gewichtungsfaktor für die in der Nutzerfunktion ermittelten Stell- bzw. Ausgangsgrößen verwendet werden.
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Eine Idee des obigen Verfahrens besteht darin, neben einer regulären Modellfunktion auch Ersatzmodellfunktionen zur Verfügung zu stellen, die aus einer Untermenge der der regulären Modellfunktion zur Verfügung stehenden Eingangsgrößen zumindest eine ungefähre Angabe über eine resultierende Modellgröße ermitteln können und diese entsprechend der Verfügbarkeit der Eingangsgrößen auszuwählen. Weiterhin wird die aufgrund der geringeren Anzahl der Eingangsgrößen in der Regel schlechtere Qualität (Genauigkeit) der durch das Ersatzmodel modellierten Modellgröße berücksichtigt, indem die von dem verwendeten Modell abhängige Modellqualitätsangabe Q der nachgeordneten Nutzerfunktion bereitgestellt wird. Mithilfe der Modellqualitätsangabe Q kann dann die Nutzerfunktion selbsttätig eine Entscheidung darüber treffen, in welcher Weise sie die Angabe über die Modellgröße, die ihr bereitgestellt wurde, verwendet wird bzw. dieser vertraut wird.
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Bei hintereinander, d.h. in Folge angeordneten Modellfunktionen bzw. Nutzerfunktionen, bei der eine Nutzerfunktion eine von der vorangehenden Nutzerfunktion bereitgestellte Größe verwendet, kann die in der vorangehenden Nutzerfunktion ermittelten Modellqualitätsangabe Q bei der Ermittlung einer in der nachfolgenden Nutzerfunktion zu ermittelnden Modellqualitätsangabe Q berücksichtigt werden, z.B. durch Multiplikation oder Mittelwertbildung.
