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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Adaption eines Kennfelds einer Verbrennungskraftmaschine.
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Moderne Verbrennungsmotoren werden von Motorsteuergeräten angesteuert, in denen die Ansteuersignale aufgrund von in Software implementierten Modellen des Verbrennungsmotors bestimmt werden. Diese Modelle sind üblicherweise in Teilmodelle unterteilt, die jeweils ein bestimmtes Subsystem des Verbrennungsmotors beschreiben und deren Schnittstellen bestimmte physikalische Betriebsgrößen des Verbrennungsmotors darstellen, beispielsweise die Motordrehzahl, den Saugrohrdruck und die Abgastemperatur. Ein solches Modell eines Subsystems kann entweder als analytisches Modell durch die Berechnung einer Ausgangsgröße des Subsystems aus Eingangsgrößen mittels einer Gleichung oder als datenbasiertes Modell implementiert sein, bei dem die Ausgangsgröße des Subsystems aus einem über die Eingangsgrößen aufgespannten ein- oder mehrdimensionalen Kennfeld ausgelesen wird.
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Mit der Implementierung eines Modells in der Software der Motorsteuerung als Kennfeld ist die qualitative Abhängigkeit des Ausgangssignals von den gewählten Eingangssignalen festgeschrieben. Für die quantitative Abhängigkeit des Ausgangssignals des Kennfelds von seinen Eingangssignalen wird bei der Implementierung durch die Wahl der Kennfeldgröße sowie der Auflösung und des Wertebereichs der Kennfeldachsen und der Kennfeldwerte ein fester Rahmen abgesteckt. Im Allgemeinen kann jedoch durch die Wahl der Kennfeldwerte ein breites Band an komplexen funktionalen Abhängigkeiten dargestellt werden. Dies erfolgt im Rahmen der Kalibration des Motorsteuergeräts für die Verwendung mit einem konkreten Motor-/Fahrzeugtyp auf der Basis von Simulationen und Messungen an einem Referenzmotor bzw. an einer repräsentativen Gruppe von Motoren und Fahrzeugen. Dabei muss bei vielen Kennfeldern darauf geachtet werden, dass die Kennfeldwerte in benachbarten Kennfeldpunkten keine allzu großen Differenzen aufweisen - d.h. dass das Kennfeld ausreichend glatt ist - weil sonst bei dynamischem Durchfahren des Kennfelds das Ausgangssignal stark schwankt, was sich negativ auf das Betriebsverhalten des Motors auswirken kann.
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Das Verhalten der individuellen Motoren und Fahrzeuge weicht dabei infolge von Fertigungstoleranzen, Alterung der Komponenten und durch das Zusammenspiel mit verschiedenen, in der Motorsteuerung nicht oder nicht ausreichend detailliert beschriebenen Betriebsbedingungen voneinander ab. Für den Motorbetrieb signifikante Abweichungen der Betriebsgrößen des individuellen Motors vom Verhalten des Referenzmotors werden mit Hilfe von Sensoren erfasst und durch Regeleingriffe minimiert. Ein Regeleingriff kann dabei immer nur als Reaktion auf eine bereits aufgetretene Abweichung erfolgen, kann diese Abweichung deshalb nur vermindern, aber nicht verhindern. Um beim wiederholten Anfahren eines Betriebspunkts die beim erstmaligen Anfahren dieses Betriebspunkts aufgetretenen Abweichungen zu vermeiden, können ausgewählte Parameter des entsprechenden Subsystemmodells dauerhaft so adaptiert werden, dass diese Abweichung minimiert wird. Diese veränderten Parameter werden nichtflüchtig im Steuergerät gespeichert, so dass sie beim erneuten Anfahren desselben Betriebspunktes im gleichen oder in späteren Fahrzyklen sofort wirken und die beobachtete Abweichung des Betriebsverhaltens nicht wieder auftritt.
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Im Falle eines mit Hilfe eines Kennfelds implementierten Modells kann dies dadurch erfolgen, dass entweder
- - die Werte des kalibrierten Kennfelds selbst nichtflüchtig verändert werden, oder
- - ein zweites Korrekturkennfeld über dieselben Eingangsgrößen aufgespannt wird, dessen Ausgang auf den Ausgang des kalibrierten Kennfelds addiert wird und dessen Werte ausgehend vom neutralen Initialwert 0 nichtflüchtig so verändert werden, dass die Abweichung des Betriebsverhaltens minimiert wird, oder
- - ein zweites Korrekturkennfeld über dieselben Eingangsgrößen aufgespannt wird, dessen Ausgang auf den Ausgang des kalibrierten Kennfelds multipliziert wird und dessen Werte ausgehend vom neutralen Initialwert 1 nichtflüchtig so verändert werden, dass die Abweichung des Betriebsverhaltens minimiert wird.
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In Motorsteuergeräten der Anmelderin wird für die Ansteuerung eines Turboladers im kalibrierten Kennfeld eine Soll-Wastegateposition als Funktion von Soll-Wastegatemassenstrom und Soll-Druckverhältnis über das Wastegate kalibriert und im Korrekturkennfeld mit denselben Eingangsgrößen Soll-Wastegatemassenstrom und Soll-Druckverhältnis über das Wastegate eine additive Korrektur der Soll-Wastegateposition gelernt. Die Summe aus kalibrierter Soll-Wastegateposition und Korrektur der Soll-Wastegateposition ist die korrigierte Soll-Wastegateposition.
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Um zu gewährleisten, dass auch die korrigierte Soll-Wastegateposition ausreichend glatt ist, d.h. dass die korrigierten Soll-Wastegatepositionen in benachbarten Kennfeldpunkten keine allzu großen Differenzen aufweisen, damit bei dynamischem Durchfahren des Kennfelds das Ausgangssignal nicht stark schwankt, darf beim Adaptieren eines jeden einzelnen Kennfeldpunkts des Korrekturkennfelds eine vorgegebene maximal zulässige Differenz zu allen Nachbarpunkten im Kennfeld nicht überschritten werden, d.h. auch das Korrekturkennfeld muss ausreichend glatt bleiben. Wenn ein zur Verminderung der Abweichung des Motorverhaltens vom Referenzmotor eigentlich sinnvoller Adaptionsschritt zur Überschreitung der maximal zulässigen Differenz zwischen Nachbarpunkten führen würde, wird dieser Adaptionsschritt nicht ausgeführt.
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Die Wertebereiche der Achsen eines kalibrierten Kennfelds werden üblicherweise so gewählt, dass alle relevanten Betriebspunkte abgedeckt sind. Die Summe aller Betriebspunkte eines Systems im durch die Eingangsgrößen des kalibrierten Kennfelds aufgespannten zweidimensionalen Raum bildet im Allgemeinen kein perfektes Rechteck, so dass es in den meisten Kennfeldern vor allem in der Nähe der Kennfeldecken Bereiche gibt, die nie angefahren werden. Genau so bildet auch bei einem Kennfeld mit mehr als zwei Eingangsgrößen die Summe aller Betriebspunkte im höherdimensionalen Raum keinen rechtwinkeligen Quader. Auch in einem üblicherweise als Kennlinie bezeichneten Kennfeld mit nur einer Eingangsgröße können die beiden Enden der Kennlinie eventuell nie angefahren werden. Wenn über die gleichen Eingangsgrößen ein adaptives Korrekturkennfeld aufgespannt wird, folgt daraus, dass es auch in diesem adaptiven Korrekturkennfeld Betriebspunkte gibt, die zumindest stationär nie angefahren, damit nie adaptiert werden und damit immer auf ihrem Initialwert verbleiben. Es gibt damit im adaptiven Korrekturkennfeld meistens einen ungelernten Bereich, der auf Initialwert verbleibt, und einen gelernten Bereich, der sich vom Initialwert unterscheidet.
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Aus der geforderten Glattheit des Korrekturkennfelds folgt, dass die Kennfeldpunkte direkt am Rand des gelernten Kennfeldbereichs, d.h. in unmittelbarer Nachbarschaft eines auf Initialwert stehenden Kennfeldpunkts, nur Werte aus dem Intervall [-1...+1] * (maximal zulässige Differenz zu allen Nachbarpunkten) annehmen können. Ihre Nachbarpunkte, die keine direkten, auf Initialwert stehenden Nachbarpunkte haben, können nur Werte aus dem Intervall [-2...+2] * (maximal zulässige Differenz zu allen Nachbarpunkten) annehmen, usw.
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Wenn ein individueller Verbrennungsmotor in einem Betriebspunkt am Rand des gelernten Bereichs des adaptiven Korrekturkennfelds der Soll-Wastegateposition eine größere Abweichung zum Referenzmotor aufweist, als mit einer Korrektur aus dem Intervall [-1...+1] * (maximal zulässige Differenz zu allen Nachbarpunkten) ausgeglichen werden kann, dann ist die Kennfeldadaption nicht in der Lage, diese Abweichung mit den gegebenen Glattheitsanforderungen vollständig auszugleichen. Es besteht ein Konflikt zwischen Glattheitsanforderung und dem Bedarf, am Rand des Betriebsraums große Korrekturwerte zu lernen.
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Motorsteuergeräte desselben Typs können in verschiedenen Fahrzeugen und Fahrzeugvarianten verbaut sein, beispielsweise mit verschiedenen Varianten der Abgasanlage, um unterschiedliche Anforderungen an Schadstoffemissionen und Geräusch zu erfüllen. Traditionell werden Motorsteuergeräte für die konkrete Anwendung für einen Motor in einer bestimmten Fahrzeugvariante kalibriert, d.h. die Parameter der Motorsteuerung werden für jede Anwendung optimiert. Bei diesem Vorgehen resultieren Abweichungen zwischen individuellen Motoren und dem Referenzmotor aus Bauteilstreuung und Bauteilalterung.
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Für die Adaption der Turboladeransteuerung bedeutet dies, dass das oben beschriebene Verfahren der Adaption der Soll-Wastegateposition ausreichend war.
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Um Kosten zu sparen, werden in den letzten Jahren zunehmend nicht mehr alle Subsysteme der Motorsteuergeräte für alle Anwendungen in verschiedenen Fahrzeugen und in verschiedenen Fahrzeugvarianten einzeln optimiert, sondern es werden für einzelne Subsysteme die für eine Fahrzeugvariante ermittelten Daten auch für andere Fahrzeugvarianten und Fahrzeugtypen verwendet. Bei diesem Vorgehen erhöhen sich die Abweichungen zwischen individuellen Motoren und dem Referenzmotor um die Auswirkungen der unterschiedlichen Betriebsbedingungen des Motors in unterschiedlichen Fahrzeugvarianten und Fahrzeugtypen.
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Für die Adaption der Turboladeransteuerung hat dies zur Folge, dass der Bedarf nach einer Korrektur der Soll-Wastegateposition generell im gesamten Betriebsbereich des beschriebenen Kennfelds zur Bestimmung der Soll-Wastegateposition und speziell auch am Rand des gelernten Bereichs des Korrekturkennfelds ansteigt. Die beschriebenen Beschränkungen der Adaption infolge der Glattheitsanforderungen sind nicht mehr akzeptabel.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Weg aufzuzeigen, wie diese Nachteile vermieden werden können.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 - 10 angegeben. Der Anspruch 11 hat eine Vorrichtung zur Adaption eines mittels eines oder mehrerer Eingangssignale adressierbaren, eine Vielzahl von Initial-Kennfeldwerten aufweisenden, in einem Speicher einer individuellen Verbrennungskraftmaschine abgespeicherten Initial-Kennfeldes zum Gegenstand. Der Anspruch 12 betrifft eine Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 - 10 bei der Steuerung einer Verbrennungskraftmaschine.
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Bei dem im Anspruch 1 angegebenen Verfahren zur Adaption eines mittels eines oder mehrerer Eingangssignale adressierbaren, eine Vielzahl von Initial-Kennfeldwerten aufweisenden, in einem Speicher einer individuellen Verbrennungskraftmaschine abgespeicherten Initialkennfeldes werden folgende Schritte durchgeführt:
- - Ermittlung von im Betrieb der individuellen Verbrennungskraftmaschine auftretenden Abweichungen von Kennfeldwerten von einem jeweils zugehörigen Initial-Kennfeldwert und
- - Erstellung eines Korrekturkennfeldes, in welchem die im Betrieb erfassten Abweichungen vom jeweils zugehörigen Initial-Kennfeldwert abgespeichert sind,
- - wobei bei der Erstellung des Korrekturkennfelds eine Aufteilung der erfassten Abweichungen in eine den globalen Trend der Abweichungen beschreibende adaptive Regressionsebene und ein adaptives Korrekturkennfeld vorgenommen wird.
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Durch diese Maßnahmen wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass der bei bekannten Verfahren bestehende Konflikt zwischen den Glattheitsanforderungen und dem Bedarf nach großen Korrekturen auch am Rand des anfahrbaren Bereichs des jeweiligen Kennfelds gelöst wird. Es können sowohl große Korrekturwerte am Rand des Betriebsraums gelernt werden als auch starke Schwankungen der Ausgangsgröße des jeweiligen Kennfelds beim dynamischen Durchfahren des Betriebsraums vermieden werden.
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Ein Verfahren mit den erfindungsgemäßen Merkmalen kann beispielsweise im Zusammenhang mit einer Bestimmung der Sollposition des Wastegates eines Turboladers aus dem Soll-Wastegatemassenstrom und dem Soll-Druckverhältnis über das Wastegate mittels eines Kennfelds mit den Eingängen Soll-Wastegatemassenstrom und Soll-Druckverhältnis über das Wastegate und dem Ausgang Sollposition des Wastegates verwendet werden.
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In analoger Weise kann ein Verfahren mit den erfindungsgemäßen Merkmalen auch für eine andere Ausgangsgröße zur Steuerung des Turboladers verwendet werden, beispielsweise für einen Solldruck in einem Wastegate-Aktuator oder für eine Sollstromstärke durch einen Aktuator.
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Des Weiteren kann ein Verfahren mit den erfindungsgemäßen Merkmalen auch im Zusammenhang mit anderen Eingangsgrößen wie beispielsweise dem Soll-Ladedruck oder der Soll-Laderdrehzahl, für nur eine oder mehr als zwei Eingangsgrößen oder zur Ansteuerung nicht eines Turboladers, sondern einer anderen Komponente der Verbrennungskraftmaschine verwendet werden.
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Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren nachfolgender beispielhafter Erläuterung anhand der Figuren. Es zeigt
- 1 eine Blockdarstellung einer Vorrichtung zur Steuerung eines von einem Abgasturbolader aufgeladenen Verbrennungsmotors,
- 2 eine Skizze zur Veranschaulichung einer bekannten Vorrichtung zur Ermittlung einer Soll-Wastegateposition,
- 3 eine Skizze eines bekannten Vorsteuerkennfelds einer Soll-Wastegateposition (0 = voll geschlossen, 1 = voll geöffnet) als Funktion eines skalierten Soll-Massenstroms und eines skalierten Soll-Druckverhältnisses,
- 4 eine Skizze eines bekannten Adaptionskennfelds zur additiven Korrektur einer Soll-Wastegateposition als Funktion eines skalierten Soll-Massenstroms und eines skalierten Soll-Druckverhältnisses,
- 5 erste Skizzen zur Erläuterung eines erstmaligen Adaptionsparameter-Balancings im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 6 eine Skizze zur Veranschaulichung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ermittlung einer Soll-Wastegateposition und
- 7 weitere Skizzen zur Erläuterung eines weiteren Adaptionsparameter-Balancings im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die 1 zeigt eine Blockdarstellung einer Vorrichtung zur Steuerung eines von einem Abgasturbolader aufgeladenen Verbrennungsmotors.
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Diese Vorrichtung enthält einen Antriebsstrang 100, der einen von einem Abgasturbolader 20 aufgeladenen Verbrennungsmotor 10 enthält. Der Verbrennungsmotor 10 weist einen oder mehrere Zylinder 11 auf, denen jeweils ein Einlassventil 12 zugeordnet ist.
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Zum Abgasturbolader 20 gehören eine Turbine 21 und ein Verdichter 22. Der Verdichter 22 ist eingangsseitig an einen Frischluftkanal 1 angeschlossen und stellt ausgangsseitig verdichtete Frischluft zur Verfügung. Diese wird über einen Ladeluftkühler 40 an eine Ladeluftstrecke 2 geliefert und von dort aus über eine Drosselklappe 30 an ein Saugrohr 3 weitergegeben. Vom Saugrohr aus wird die verdichtete Luft über das jeweilige Einlassventil 12 in den jeweiligen Zylinder 11 weitergegeben. Dort wird der in den Zylinder eingebrachte Kraftstoff mit dieser Frischluft verbrannt.
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Die bei diesem Verbrennungsvorgang gebildeten Abgase gelangen über ein Abgasrohr 4 auf die Turbine 21 des Abgasturboladers 20. Dort treiben sie ein Turbinenrad an, welches über eine Welle mit einem im Verdichter angeordneten Verdichterrad verbunden ist, welches somit vom Turbinenrad über die genannte Welle angetrieben wird.
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Des Weiteren weist die gezeigte Vorrichtung einen Wastegatekanal 51 auf, welcher mittels einer Wastegateklappe 50 stetig zwischen einem vollständig geöffneten Zustand und einem verschlossenen Zustand verstellt werden kann.
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Ferner weist die in der 1 gezeigte Vorrichtung eine Motorsteuervorrichtung 60 auf, die zur Steuerung des Verbrennungsmotors 10 bzw. einer Vielzahl von Aktuatoren des Verbrennungsmotors 10 ausgebildet ist. Dieser Motorsteuervorrichtung 60 wird eine Vielzahl von Sensorsignalen se1 ,..., sen zugeführt. Die Motorsteuervorrichtung 60 ermittelt unter Verwendung dieser Sensorsignale, eines abgespeicherten Arbeitsprogrammes und weiterer, in einem Speicher 62 abgespeicherter Daten Steuersignale st1,...,sty, die zur Steuerung der genannten Aktuatoren des Verbrennungsmotors vorgesehen sind. Zu den im Speicher 62 abgespeicherten Daten gehören unter anderem Kennfelder, die jeweils ein bestimmtes Subsystem der Verbrennungskraftmaschine beschreiben und deren Schnittstellen bestimmte physikalische Betriebsgrößen der Verbrennungskraftmaschine betreffen, beispielsweise die Motordrehzahl, den Saugrohrdruck und die Abgastemperatur. Ein solches Modell eines Subsystems kann als datenbasiertes Modell implementiert sein, bei dem die Ausgangsgröße des Subsystems aus einem über die Eingangsgrößen aufgespannten ein- oder mehrdimensionalen Kennfeld ausgelesen wird.
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Die Motorsteuervorrichtung 60 ist zur Durchführung eines Verfahrens zur Adaption eines mittels mehrerer Eingangssignale adressierbaren, eine Vielzahl von Initial-Kennfeldwerten aufweisenden, im Speicher 62 einer individuellen Verbrennungskraftmaschine abgespeicherten dreidimensionalen Initialkennfeldes ausgebildet, bei welchem die folgenden Schritte durchgeführt werden:
- - Ermittlung von im Betrieb der individuellen Verbrennungskraftmaschine auftretenden Abweichungen von Kennfeldwerten von einem jeweils zugehörigen Initial-Kennfeldwert und
- - Erstellung eines Korrekturkennfeldes, in welchem die im Betrieb erfassten Abweichungen vom jeweils zugehörigen Initial-Kennfeldwert abgespeichert sind,
- - wobei bei der Erstellung des Korrekturkennfelds eine Aufteilung der erfassten Abweichungen in eine den globalen Trend der Abweichungen beschreibende adaptive Regressionsebene und ein adaptives Korrekturkennfeld vorgenommen wird.
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Bei diesem Verfahren wird der bei bekannten Verfahren bestehende Konflikt zwischen Glattheitsanforderungen an die Ausgangsgröße des Kennfeldes und dem Bedarf nach großen Korrekturen auch am Rand des anfahrbaren Bereichs des jeweiligen Kennfeldes dadurch gelöst, dass die gelernten Korrekturwerte im Korrekturkennfeld in eine den globalen Trend abbildende Regressionsebene und ein Rest-Korrekturkennfeld aufgespalten werden.
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Dies wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel erläutert, bei welchem eine Bestimmung der Sollposition des Wastegates eines Turboladers aus dem Soll-Wastegatemassenstrom und dem Soll-Druckverhältnis über das Wastegate mittels eines Kennfelds mit den Eingängen Soll-Wastegatemassenstrom und Soll-Druckverhältnis über das Wastegate und dem Ausgang Sollposition des Wastegates vorgenommen wird.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel implementiert das adaptive Korrekturkennfeld mit seinem Ausgang Korrektur der Soll-Wastegateposition (=z) und seinen Eingängen Soll-Wastegatemassenstrom (=x) und Soll-Druckverhältnis über das Wastegate (=y) eine mathematische Funktion z = f(x,y) . Analog kann eine Funktion z = f(x) auch nur eine Eingangsgröße oder es kann eine Funktion z = f(x,y,w, ...) mehr als zwei Eingangsgrößen haben.
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Das Kennfeld besitzt m Stützstellen x_1...x_m in x-Richtung und n Stützstellen y_1...y_n in y-Richtung. Jeder Kennfeldwert z_k(x_i, y_j) mit i∈ [1,......,m] und j∈ [1,......,n] ist entweder gleich dem Initialwert 0 (im Folgenden als z_ki bezeichnet) oder hat sich von diesem weggelernt (im Folgenden als z_kg bezeichnet).
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Für jeden beliebigen Zustand des adaptiven Korrekturkennfelds mit einer beliebigen Anzahl von 0 verschiedener Kennfeldpunkte z_kg mit unter Berücksichtigung der maximal zulässigen Differenz zu den Werten der Nachbarpunkte beliebigen Werten gibt es genau eine Regressionsebene durch diese Wolke der von 0 verschiedenen Kennfeldpunkte z_kg. Die Regressionsebene ist eine Ebene, für die gilt, dass ein Bewertungskriterium einen minimalen Wert annimmt. Als ein solches Bewertungskriterium kann beispielsweise die Summe der Quadrate der Abstände der Kennfeldwerte in z-Richtung zwischen der Ebene und allen von 0 verschiedenen Kennfeldpunkten verwendet werden. Ein anderes mögliches Bewertungskriterium ist beispielsweise die Summe der Beträge der Abstände aller von 0 verschiedenen Kennfeldpunkte von dieser Ebene. Diese Ebene ist mit drei Parametern a, b, c eindeutig beschreibbar, so dass die folgende Beziehung gilt:
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Im Falle eines adaptiven Kennfelds mit nur einer Eingangsgröße tritt an Stelle der Regressionsebene eine Regressionsgerade mit den entsprechenden Parametern a und c auf mit der Gleichung z_e = a * x + c. Im Fall eines adaptiven Kennfelds mit mehr als zwei Eingangsgrößen ist die Regressionsebene eine Ebene im mehrdimensionalen Raum mit entsprechenden Parametern a, b, c, d und der Gleichung z_e = a * x + b * y + d * w + c, usw. Alle Ausführungen für das zweidimensionale Kennfeld gelten entsprechend auch für das eindimensionale und das mehrdimensionale Kennfeld.
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Wenn bereits mindestens einmal ein Satz an Parametern der Regressionsebene a_alt, b_alt, c_alt bestimmt worden ist, kann man ebenso für jeden beliebigen Zustand des adaptiven Korrekturkennfelds genau eine neue Regressionsebene durch die Wolke der Summe von alter Regressionsebene und Korrekturkennfeld in den von 0 verschiedenen Kennfeldpunkten bestimmen. Wenn man die Parameter der alten Regressionsebene a_alt, b_alt, c_alt als mit 0 initialisiert annimmt, ist dies der allgemeine Fall, der auch die erste Bestimmung einer Regressionsebene beschreibt.
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Für jeden Zustand des adaptiven Korrekturkennfelds, jeden Parametersatz a_alt, b_alt, c_alt einer alten Regressionsebene und jeden Parametersatz a, b, c einer neuen Regressionsebene kann man eindeutig ein Restkennfeld z_r der Dimension m x n bestimmen, welches
- - an allen Positionen den Wert z_r(x_i,y_j)=0 hat, an denen das Korrekturkennfeld den Wert 0 hat, und
- - an allen anderen Positionen x_i, y_j gleich z_r(x_i,y_j)=z_kg + (a_alt * x_i + b_alt * y_j + c_alt) - (a * x_i + b * y_j + c) ist.
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Die Summe dieses Restkennfelds z_r und der neuen Regressionsebene ist in allen Punkten, in denen das Korrekturkennfeld von 0 verschieden ist, gleich der Summe des Korrekturkennfelds und der alten Regressionsebene z_r(x_i,y_j) +(a * x_i + b * y_j + c) = z_kg +(a_alt * x_i + b_alt * y_j + c_alt).
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Diese Umrechnung einer alten Regressionsebene und eines alten Korrekturkennfelds in eine neue Regressionsebene und ein Restkennfeld wird als Adaptionsparameter-Balancing bezeichnet. Nach jedem Adaptionsparameter-Balancing ist der Mittelwert der Beträge der Werte im Restkennfeld kleiner als im alten Korrekturkennfeld. Um speziell die Beträge der Werte am Rand des gelernten Bereichs des Restkennfelds zu minimieren, kann die Regressionsebene auch nicht auf den gesamten vom Initialwert verschiedenen Kennfeldbereich, sondern auf den Rand des vom Initialwert verschiedenen Kennfeldbereichs optimiert werden, d. h. als Bewertungskriterium minimiert man die Summe der Quadrate der Abstände der Ebene von allen von 0 verschiedenen Kennfeldpunkten, welche mindestens einen benachbarten Kennfeldpunkt mit dem Wert 0 haben.
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Für die Adaption der Soll-Wastegateposition im Betrieb des individuellen Motors wird folgendermaßen vorgegangen:
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Bei der Fertigung des Steuergeräts werden sowohl das adaptive Korrekturkennfeld als auch die Ebenenparameter a, b, c mit dem Initialwert 0 initialisiert.
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In den ersten Fahrzyklen des individuellen Motors werden Kennfeldpunkte des adaptiven Korrekturkennfelds gelernt, bis eine vorgegebene Anzahl vom Initialwert verschiedener Punkte, beispielsweise 20 Punkte, erreicht ist, d.h. bis es eine für eine sinnvolle Berechnung einer Regressionsebene ausreichende Anzahl vom Initialwert verschiedener Kennfeldpunkte gibt.
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In größerem zeitlichen Abstand, beispielsweise immer zu Beginn der Nachlaufphase des Motorsteuergeräts nach dem Abstellen des Motors, werden für die Summe der alten Repressionsebene und des Korrekturkennfelds die Parameter a, b, c der Regressionsebene durch den Rand des vom Initialwert 0 verschiedenen Bereichs des Korrekturkennfelds z_k und das Restkennfeld z_r neu berechnet. Die Parameter der Regressionsebene werden nichtflüchtig gespeichert und das adaptive Kennfeld z_k wird mit dem Restkennfeld z_r überschrieben und ebenfalls nichtflüchtig gespeichert.
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Im Motorbetrieb wird in allen Betriebspunkten die Summe aus Regressionsebene und Korrekturkennfeld z_k als Korrektur der Soll-Wastegateposition genutzt.
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Im weiteren Motorbetrieb werden weiter die Kennfeldpunkte des adaptiven Korrekturkennfelds unter Beachtung der maximal zulässigen Differenz zu Nachbarpunkten gelernt.
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Die Wirkung eines Adaptionsparameter-Balancings, d. h. der Bestimmung einer neuen Regressionsebene und eines Restkennfelds aus einer alten Regressionsebene und einem gelernten Korrekturfeld ist folgende:
- - In allen gelernten Korrekturkennfeldpunkten ist die Summe aus adaptiver Ebene und adaptivem Kennfeld vor und nach jeder Ebenenadaption gleich.
- - Die Summe aus Regressionsebene und Restkennfeld extrapoliert die gelernten Werte in den ungelernten Bereich. Und liefert damit auch im nicht unmittelbar adaptierten Kennfeldbereich eine Korrektur der Wastegatesollposition.
- - Die Beträge der Werte am Rand des gelernten Bereichs des adaptiven Korrekturkennfelds sind kleiner als vor der Bestimmung einer neuen Regressionsebene. Damit sind die Differenzen im adaptiven Korrekturkennfeld zu den nicht gelernten, auf Initialwert stehenden Kennfeldpunkten kleiner. Damit kann bei unveränderten Glattheitsanforderungen an das Korrekturkennfeld am Rand des gelernten Bereichs des adaptiven Kennfelds weiter gelernt werden.
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Das beschriebene Verfahren löst den Konflikt zwischen Glattheitsanforderung an das Korrekturfeld und dem Bedarf, am Rand des Betriebsraums große Korrekturwerte zu lernen. Es können sowohl große Korrekturwerte am Rand des Betriebsraums gelernt werden als auch starke Schwankungen der Soll-Wastegateposition beim dynamischen Durchfahren des Betriebsraums vermieden werden.
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Die vorliegende Erfindung befasst sich nach alledem mit datenbasierten Modellen von Subsystemen, die als Kennfeld implementiert sind. Das Verfahren wurde oben am Beispiel der Bestimmung der Sollposition des Wastegates eines Turboladers aus Soll-Wastegatemassenstrom und Soll-Druckverhältnis über das Wastegate mittels eines Kennfelds mit den Eingängen Soll-Wastegatemassenstrom und Soll-Druckverhältnis über das Wastegate und dem Ausgang Sollposition des Wastegates beschrieben.
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Das Verfahren kann jedoch auch für eine andere Ausgangsgröße zur Steuerung eines Turboladers angewendet werden, beispielsweise
- - für einen Soll-Druck in einem Wastegateaktuator oder eine Soll-Stromstärke durch einen Aktuator, oder
- - für andere Eingangsgrößen wie beispielsweise den Soll-Ladedruck oder die Soll-Laderdrehzahl, oder
- - für nur eine oder mehr als zwei Eingangsgrößen mit einer entsprechenden Anpassung, oder
- - zur Ansteuerung nicht eines Turboladers, sondern einer anderen Komponente des Verbrennungsmotors.
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Anhand der 2 bis 7 werden nachfolgend die Vorgehensweise bei einem bisher bekannten Verfahren und die Vorgehensweise beim erfindungsgemäßen Verfahren näher erläutert.
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Die 2 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung einer bekannten Vorrichtung zur Ermittlung einer Soll-Wastegateposition bei einem Turbolader mit lagegeregeltem Wastegate.
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Bei dieser Vorrichtung ergibt sich die zu ermittelnde Sollposition des Wastegates aus der Summe des Ausgangssignals einer Vorsteuerung 110 mit dem Ausgangssignal einer Adaption der Vorsteuerung 120 und dem Ausgangssignal eines eine aktuelle Ladedruckabweichung minimierenden Ladedruckreglers
130 wie folgt:
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Dabei ist:
- POSN_BPA_SP_RGL die zu ermittelnde Wastegate-Sollposition,
- FAC_POW_PUT_CTL_OPL das Ausgangssignal der Vorsteuerung,
- FAC_PUT_AD_ADD_WG das Ausgangssignal der Adaption und
- FAC_POW_PUT_CTL_CLL das Ausgangssignal des Ladedruckreglers.
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Das Ausgangssignal der Vorsteuerung 110 und das Ausgangssignal der Adaption 120 sind unter anderem abhängig vom Soll-Ladedruck, der Abgastemperatur und dem Umgebungsdruck.
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Das Ausgangssignal des Ladedruckreglers 130 ist abhängig vom Soll-Ladedruck und dem Ist-Ladedruck.
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Eine Adaption der Vorsteuerung ist notwendig, weil ein individueller Motor zum Einstellen eines gewünschten Betriebspunkts in den allermeisten Fällen eine andere Wastegateposition benötigt als der Referenzmotor, mittels dessen die Parameter der Vorsteuerung ermittelt wurden. Dies ist darauf zurückzuführen, dass bei der Fertigung der Turbolader bzw. Motoren Serienstreuungen auftreten, dass während der Betriebsdauer der Turbolader bzw. Motoren Alterungseffekte das Ansprechverhalten der Motoren verschlechtern und dass oftmals eine Benutzung eines gemeinsamen Datensatzes für verschiedene Fahrzeuge (Abgasanlagen, Karosserien, ...) erfolgt. Die Adaption der Vorsteuerung 120 lernt diese Unterschiede in einzelnen Kennfeldpunkten und erstellt damit ein adaptives Kennfeld bzw. Adaptionskennfeld.
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Die 3 zeigt eine Skizze eines bekannten Vorsteuerkennfeldes. Es ist ersichtlich, dass dieses Vorsteuerkennfeld, das anhand eines Referenzmotors ermittelt wird, eine „Wasserfallform“ aufweist.
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Die 4 zeigt eine Skizze eines bekannten Adaptionskennfeldes. Es ist ersichtlich, dass dieses Adaptionskennfeld eine „Bergkettenform“ aufweist.
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Ein Problem bei der bekannten Vorgehensweise besteht darin, dass bei großem Adaptionsbedarf, d.h. einer großen Abweichung der bedateten Vorsteuerung zum Ansteuerungsbedarf des individuellen Motors, in einzelnen Kennfeldpunkten große Adaptionswerte gelernt werden können, während in direkten Nachbarpunkten des Kennfeldes noch gar nicht adaptiert wurde.
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Um zu vermeiden, dass aus stark unterschiedlichen Adaptionswerten in benachbarten Kennfeldpunkten beim Durchfahren des Adaptionskennfelds Schwingungen der Ansteuerung entstehen, wird beim Schreiben eines Adaptionswertes eine maximal zulässige Differenz C_FAC_PUT_AD_GRD_MAX zu allen 8 Nachbarpunkten des Kennfeldes vorgegeben.
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Da die Form des tatsächlich angefahrenen Kennfeldbereichs nie rechtwinklig ist, gibt es in der Praxis stets einen nicht adaptierten Kennfeldbereich, in welchem die Kennfeldwerte gleich dem Initialwert Null sind. Wenn am Rand des angefahrenen Kennfeldbereichs große Adaptionswerte benötigt werden, wird bei bekannten Verfahren durch die Nachbarschaft mit nicht angefahrenen Kennfeldbereichen der durch die Adaption erreichbare Wertebereich auf +/- C_FAC_PUT_AD_GRD_MAX eingeschränkt.
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Diese Einschränkung soll durch die vorliegende Erfindung aufgehoben werden, so dass auch am Rand des anfahrbaren Kennfeldbereichs große Adaptionswerte gelernt werden können.
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Die 5 zeigt erste Skizzen zur Erläuterung eines erstmaligen Adaptionsparameter-Balancings im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens. Bei diesem Verfahren wird ein gelerntes adaptives Kennfeld AK0 in einem Steuergerätenachlauf erstmals in eine adaptive Regressionsebene AE1 und ein Rest-Kennfeld AK1 aufgeteilt. Vor diesem ersten Adaptionsparameter-Balancing ist der Adaptionswert AW0 im gesamten Kennfeldbereich gleich dem gelernten adaptiven Kennfeld AK0.
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Für die adaptive Regressionsebene gilt die folgende Beziehung:
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Der Adaptionswert AW1 als Summe von adaptiver Ebene AE1 und adaptivem Korrekturkennfeld AK1 ist in allen gelernten Kennfeldpunkten gleich dem Wert des alten adaptiven Korrekturkennfelds AK0.
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Die 6 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ermittlung einer Soll-Wastegateposition.
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Bei dieser Vorrichtung ergibt sich die zu ermittelnde Sollposition des Wastegates aus der Summe des Ausgangssignals einer Vorsteuerung 110 mit dem Ausgangssignal einer Adaption der Vorsteuerung 120' und dem Ausgangssignal eines Ladedruckreglers
130 wie folgt:
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Dabei ist:
- POSN_BPA_SP_RGL die zu ermittelnde Wastegate-Sollposition,
- FAC_POW_PUT_CTL_OPL das Ausgangssignal der Vorsteuerung,
- FAC_PUT_AD_ADD_WG das Ausgangssignal der Adaption und
- FAC_POW_PUT_CTL_CLL das Ausgangssignal des Ladedruckreglers.
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Das Ausgangssignal der Vorsteuerung 110 und das Ausgangssignal der Adaption 120' sind unter anderem abhängig vom Soll-Ladedruck, der Abgastemperatur und dem Umgebungsdruck. Die in der 6 genannten Parameter FAC_APPROX_0_BPC_AD, FAC_APPROX_1_BPC_AD und FAC_APPROX_2_BPC_AD entsprechen den Parametern der Regressionsebene c, b und a.
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Das Ausgangssignal des Ladedruckreglers 130 ist abhängig vom Soll-Ladedruck und dem Ist-Ladedruck.
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Bei der Adaption der Vorsteuerung 120' wird im Unterschied zu der in der 2 gezeigten bekannten Vorrichtung die oben beschriebene Aufteilung des adaptiven Kennfeldes in eine adaptive Regressionsebene AE und ein adaptives Restkennfeld AK vorgenommen.
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Das Ausgangssignal der Adaption der Vorsteuerung 120' ergibt sich durch eine Summation der adaptiven Regressionsebene AE mit dem adaptiven Restkennfeld AK.
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Die 7 zeigt weitere Skizzen zur Erläuterung eines weiteren Adaptionsparameter-Balancings im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens, in welchen ein in einem Steuergerätenachlauf erfolgendes Update der adaptiven Regressionsebene veranschaulicht ist.
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Dabei sind in der oberen Zeile von 7 Skizzen dargestellt, die die Verhältnisse unmittelbar vor einer Neuberechnung der adaptiven Regressionsebene veranschaulichen, und in der unteren Zeile von 7 Skizzen dargestellt, die die Verhältnisse unmittelbar nach einer Neuberechnung der adaptiven Regressionsebene veranschaulichen.
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Vor der genannten Neuberechnung der Regressionsebene liegen eine adaptive Regressionsebene AE1 und ein adaptives Restkennfeld AK1 vor, die in ihrer Addition als Funktion der Eingänge x und y einen Adaptionswert AW1 ergeben.
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Nach der genannten Neuberechnung der Regressionsebene liegen eine adaptive Regressionsebene AE2 und ein adaptives Restkennfeld AK2 vor, die in ihrer Addition als Funktion der Eingänge x und y einen Adaptionswert AW2 ergeben. In allen Kennfeldpunkten, in denen das adaptive Kennfeld A1 ungleich 0 ist, gilt AW1 = AW2, d. h. die Adaptionswerte als Summe von adaptiver Regressionsebene und Adaptionskennfeld sind vor und nach dem Adaptionsparameter-Balancing gleich.
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Die adaptive Regressionsebene AE2 wurde derart neu berechnet, dass das adaptive Restkennfeld AK2 so angepasst wurde, dass das Bewertungskriterium minimal ist. Das adaptive Restkennfeld AK2 wurde so angepasst, dass die Adaptionswerte AW als Summe in den gelernten Punkten gleich bleiben.
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Die 7 zeigt, dass bei unveränderten Glattheitsanforderungen an das Korrekturkennfeld die Beträge im adaptiven Restkennfeld nach einer Adaption der Regressionsebene kleiner als zuvor sind. Es bestehen kleinere Differenzen zum ungelernten Bereich. Dies hat in vorteilhafter Weise zur Folge, dass weiter gelernt werden kann.
