DE112005003527T5

DE112005003527T5 - Verfahren für die Schätzung von Verbrennungsparametern

Info

Publication number: DE112005003527T5
Application number: DE112005003527T
Authority: DE
Inventors: Jacob Ängeby
Original assignee: Hoerbiger Kompressortechnik Holding GmbH
Current assignee: Altronic Girard Us LLC
Priority date: 2005-04-01
Filing date: 2005-04-01
Publication date: 2008-04-03
Anticipated expiration: 2025-04-02
Also published as: US20090132145A1; US7877195B2; WO2006104434A1; DE112005003527B4

Abstract

Verfahren zur Steuerung einer Verbrennungsmaschine umfassend einen Motor, mindestens einen Sensor und mindestens eine Motorsteuereinheit (200), die zur Steuerung des Motors (100) durch Verwendung von Echtzeitsensordaten S(k) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Prior (P₁(k, j ; z), P₂(k; X, Y)) zur Ableitung mindestens einer Verbrennungsparameterschätzung (X(k)) und/oder mindestens einer Verbrennungsparametermessung (Y(k)) aus den Echtzeitsensordaten (S(k)) verwendet wird und dass die mindestens eine Verbrennungsparameterschätzung (X(k)) und/oder die mindestens eine Verbrennungsparametermessung (Y(k)) zur Ausführung der Motorsteuerung verwendet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors, insbesondere betrifft das Verfahren die Schätzung von Verbrennungsparametern aus Sensordateneingaben. Derartige Verbrennungsparameterschätzungen können von einem Motorsteuersystem zur Optimierung der Leistung des Motors verwendet werden und ermöglichen Regelkreis-Echtzeit-Strategien für die Motorsteuerung.
Die aggressive Umgebung in den Zylindern macht das zyklusweise Abrufen notwendiger Informationen über den Verbrennungsprozess zu einer Herausforderung. Ohne solche Informationen ist es nicht möglich, die Gesamtmotoreffizienz und -stabilität zu optimieren und Emissionen zu minimieren.
Die Steuerung von Ottomotoren führt im Grunde zur Steuerung von drei primären Variablen: Zündzeitpunkt und in den Zylinder eingespritzter Brennstoff und Luft. Für die beiden letztgenannten spielt die Masse und die Zeitgebung eine Rolle und diese werden unter Verwendung verschiedener Stellglieder, wie des Drosselventils, der Brennstoffeinspritzer und der Einlassventile, in Abhängigkeit von dem Motoraufbau und dem Betriebsmodus separat gesteuert. Für Dieselmotoren sind die hauptsächlichen Steuervariablen Einspritzzeit und -masse des eingespritzten Kraftstoffes. Die Hauptstellglieder für die Steuerung eines Dieselmotors sind folglich die Kraftstoffeinspritzer. Bei heutigen Motorsteuerungssystemen wird der größte Teil der Steuerfunktionalität in Form von Nachschlagtabellen implementiert, welche die optimale Zündungszeitgebung beispielsweise für einen bestimmten Betriebspunkt des Motors und bei bestimmten vorherrschenden Umgebungsbedingungen geben. Diese Systeme erfordern extensive Kalibrationstests, um die Leistungsanforderungen unter allen Fahrbedingungen, einschließlich variierender Geschwindigkeit und Last, Brennstoffqualität, Lufttemperatur, Luftdruck, Luftfeuchtigkeit usw., zu erfüllen. Die Kalibrierung eines Motormanagementsystems ist daher in der Regel eine sehr zeitaufwändige und kostspielige Aufgabe und das Ergebnis ist nicht immer zufrieden stellend. Es besteht ein Bedarf an Erweiterungen von Nachschlagtabellen, um eine effizientere Steuerung des Motors zu ermöglichen.
Es ist vorgeschlagen worden, kontinuierliche, d.h. zyklusweise, Messungen der Verbrennungsbedingungen (Verbrennungsrückkopplungssignal) zu verwenden, um den Bedarf an extensiver Kalibrierung zu eliminieren. Ionisierungsstrommessungen und Druckmessungen im Zylinder sind zwei mögliche Wege, die erwünschten Informationen (Verbrennungsrückkopplungssignal) für die Motorsteuerung zu erhalten, wie beispielsweise aus SE-504197 bekannt. Das Verbrennungsrückkopplungssignal kann entweder direkt in der Verbrennungskammer (wie an sich bekannt z.B. aus R. Muller, M. Hart, A. Truscott, A. Noble, G. Krotz, M. Eickhoff, C. Cavalloni und M. Gnielka, „Combustion Pressure Based Engine Management System", SAE-Dokument Nr. 2000-01-0928, 2000; J. Auzins, H. Johansson und J. Nytomt, „Ion-gap sense in misfire detection, knock and engine control", SAE-Dokument Nr. 950004, 1995) oder indirekt unter Verwendung nichtintrusiver Sensoren (wie an sich bekannt z.B. aus M. Schmidt, F. Kimmich, H. Straky und R. Isermann, „Combustion Supervision by Evaluating the Crankshaft Speed and Acceleration", SAE-Dokument Nr. 2000-01-0558, 2000; M. Sellnau, F. Matekunas; P. Battistion, C.-F. Chang und D. Lancaster, „Cylinder-Pressure-Based Engine Control Using Pressure-Ratio-Management and Low-Cost Non-Intrusive Cylinder Pressure Sensors", SAE-Dokument Nr. 2000-01-0932, 2000) gemessen werden. Wie in den genannten Veröffentlichungen (und in den unten stehenden Veröffentlichungen) beschrieben, können diese Messungen für eine Regelkreis-Motorsteuerung verwendet werden und ermöglichen Echtzeitoptimierung bezüglich erwünschter Merkmale, wie Brennstoffverbrauch, Emissionen, Energie und Stabilität. Die Messungen können auch zur Erkennung von Fehlzündung und Klopfen, zur zylinderspezifischen Steuerung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses, relative Nockenwellenverdrehung, Steuerung des Verbrennungsstarts, EGR-Ratensteuerung usw. verwendet werden. Siehe z.B. auch Muller et al. (2000); Sellnau et al. (2000) gemäß dem oben Stehenden oder H. Wilstermann, A. Greiner, P. Hohner, R. Kemmler, R. Maly und J. Schenk, „Ignition System Integrated AC Ion Current Sensing for Robust and Reliable Online Engine Control", SAE-Dokument Nr. 2000-01-0553, 2000; oder L. Nielsen und L. Eriksson, „An Ion-Sense Engine Fine-Tuner", IEEE Control Systems, 1998.
Für den korrekten Betrieb eines Motorsteuersystems in einem geschlossenen Regelkreis muss es über ausreichende und genaue Informationen bezüglich des Verbrennungsprozesses verfügen. Die Abfragung dieser Informationen ist aufgrund der aggressiven Umgebung jedoch schwierig. Die wechselseitige Beziehung zwischen den Verbrennungsparametern kann sehr komplex und ihre Handhabung daher sowohl in offenen als auch in geschlossenen Regelkreis-Steuersystemen extrem schwierig sein. Wenn beispielsweise das Luft/Brennstoff-Gemisch aus irgendeinem Grund geändert wird, wird sich die Verbrennungsgeschwindigkeit ändern, was zu einer Änderung der Spitzendruckposition, die für eine Regelkreis-Zündungszeitgebungssteuerung verwendet wird (siehe z.B. SE 504 197 ), führt. Dies führt zu einer Suboptimierung, was zu einer verringerten Effizienz des Motors und höheren Emissionspegeln führt. Der Hauptgrund für dieses Problem besteht darin, dass dem Motorsteuersystem allenfalls eine Untergruppe der interessierenden Verbrennungsparameter werte verfügbar ist. Die Erfindung mildert diese Probleme dadurch ab, dass zyklusweise robuste und genaue Verbrennungsparameterschätzungen bereitgestellt werden.
Für die bessere Leistung des Motors sind in einem geschlossenen Regelkreis-Steuersystem verschiedene Verbrennungsparameterschätzungen notwendig. Es folgen einige Beispiele.
Auftreten des Spitzendrucks (Peak Pressure Location, PPL) ist ein Parameter, der die Stellung der Kurbelwelle, d.h. den Kurbelwinkel, beschreibt, bei der der Druck im Zylinder sein Maximum erreicht. Der Motor weist eine optimale Leistung auf, wenn der Spitzendruck bei einem bestimmten Kurbelwinkel erreicht wird. Wenn PPL vom Optimalwert abweicht, ist es vorteilhaft, PLL wieder so einzustellen, dass der Optimalwert wieder erreicht wird. Dies kann auf verschiedene Weisen erfolgen, beispielsweise durch Ändern des Zündungszeitpunktes oder des Luft/Brennstoff-Verhältnisses.
Verbrannter Massenanteil (Mass Fraction Burnt, MFB) ist ein Parameter, der anzeigt, bei welchem Kurbelwinkel eine bestimmte Menge des Brennstoffgemischs verbrannt worden ist. Dieser Parameter korreliert stark zu PPL.
Luft/Brennstoff-Verhältnis (Air Fuel Ratio; AFR) ist ein Parameter, welcher das Verhältnis zwischen Luft und Brennstoff in der Mischung angibt. Die Leistung eines Motors hängt von dem AFR ab und der Optimalwert variiert mit Temperatur, Feuchtigkeit und anderen Faktoren. Daher ist es wichtig, das AFR zu steuern und zu messen, um den Motor auf Optimalleistung zu steuern. Wenn das AFR für jeden Zylinder individuell gemessen werden kann, kann jeder Zylinder ausgeglichen werden, wodurch ein optimales AFR für jeden Zylinder erzielt wird. Stand der Technik ist die Messung des AFR unter Verwen dung einer Lambda-Sonde im Auspuffsammler, d.h. es wird der Durchschnitt der AFR in den mit dem Sammler verbundenen Zylindern gemessen. In diesem Fall können die Zylinder nicht bezüglich des AFR ausgeglichen werden.
Klopfen ist ein Parameter, der anzeigt, wenn nicht verbrannter Brennstoff aufgrund erhöhten Drucks und erhöhter Temperatur selbst zündet. Wenn die Brennstoffmischung gezündet wird, breitet sich von der Zündkerze eine Flammenfront aus, der Druck und die Temperatur erhöhen sich drastisch und ein Klopfen kann initialisiert werden. Klopfverbrennungen sind ungesteuert und es kann zu großen Druckspitzen kommen, welche dem Motor schaden. Klopfen kann vermieden werden, indem der Zündzeitpunkt vorgerückt wird. Dies verringert jedoch die Motorleistung. Um aus einem Motor die Maximalleistung herauszuholen, wird oftmals bevorzugt, den Motor nahe an der Klopfgrenze laufen zu lassen, welche von der Brennstoffqualität (Brennstoffgüte) abhängt. Durch Klopferkennung kann das Motorsteuersystem den Motor so steuern, dass er ohne Überschreiten der Klopfgrenze bei Optimalleistung arbeitet.
Zu Fehlzündungen kommt es, wenn das Brennstoffgemisch nicht zündet. Die zulässige Zahl von Fehlzündungen in einem Motor wird per Gesetz geregelt, da unverbrannte Gase sowohl der Umwelt als auch dem Fahrzeugkatalysator schaden.
Die Verbrennungsstabilität ist ein Parameter, der sich auf die Stabilität des Verbrennungsprozesses von Zyklus zu Zyklus bezieht. Große Variationen in der Motorverbrennung können als eine ungleichmäßige, ruckweise Leistung wahrgenommen werden und sind daher unerwünscht.
Das Drehmoment ist insbesondere bei Verwendung von automatischen Getrieben von Interesse. Es wird bevorzugt, während des Gangwechsels gar kein „Moment" vom Motor zu erhalten.
Bei der herkömmlichen Motorsteuerung wird der Motor in der Regel in einer experimentellen Umgebung unter Verwendung von Hochqualitätsmesssonden, wie beispielsweise hochentwickelten Lambda- und Zylinderdrucksensoren, kalibriert. Die Kalibrierungsdaten werden danach zur Erstellung von Nachschlagtabellen verwendet, aus denen das Motormanagementsystem die Parametereinstellungen für unterschiedliche Motorbetriebsbedingungen ausliest, z.B. Zündungszeitgebungs- und AFR-Einstellung für eine gegebene Drehzahl und Betriebslast. Ein Problem dieses Ansatzes besteht darin, dass er Echtzeitprobleme, wie variierende Brennstoffqualität und Luftfeuchtigkeit und Verschleiß des Motors oder individuelle Unterschiede unter den Zylindern, nicht löst. Daher läuft der Motor tendenziell bei nicht optimalen Motoreinstellungen. Wenn die Verbrennungsparameter in ausreichender Genauigkeit und Robustheit in Echtzeit abgeschätzt werden können, könnte die Motorsteuerung in einem geschlossenen Regelkreis betrieben werden und diese Probleme würden abgemildert.
Die oben genannten Verbrennungsparameter können bis zu einem gewissen Grad unter Verwendung verschiedener Messfühler gemessen werden, die der bestimmten Anwendung zugewiesen sind, z.B. einem Lambda-Sensor zum Messen des AFR, einem piezoelektrischen Vibrationssensor, der am Motor befestigt ist, um Klopfen zu messen, und Messungen der Kurbelwinkelbeschleunigung zur Erkennung von Fehlzündungen. Es gibt jedoch Sensoren, die zum Schätzen aller oben genannten Verbrennungsparameter verwendet werden können.
Druckmessfühler werden häufig während der Entwicklung eines Motors verwendet und messen den Druck direkt im Zylinder. Druckmessfühler sind jedoch teuer und haben eine kurze Lebensdauer und wurden daher bisher nicht in der Serienfertigung verwendet.
Ionenstromsensorsysteme sind eine Alternative zu Drucksensoren. Wenn das Brennstoffgemisch verbrannt wird, werden Elektronen und Ionen gebildet, welche das Gas leitend machen, d.h. es erlangt die Fähigkeit, elektrischen Strom zu leiten. Die Konzentration geladener Partikel in dem verbrannten Gas hängt von dem Druck und der Temperatur in dem Zylinder ab. Somit können durch Anlegen einer Spannung über die Zündkerze und durch Messen des entstehenden Stroms Informationen über den Verbrennungsprozess abgefragt werden. Durch Ionenstromdatenanalyse ist es möglich, alle Verbrennungsparameter zu schätzen, aber bislang wurde die Ionenstrommessung aufgrund der stochastischen Eigenschaft des Ionenstroms in der Serienfertigung nur für die Schätzung von Klopfen und Fehlzündungen verwendet. Es besteht ein Potenzial zur erheblichen Verbesserung dieser Technologie durch Verwendung der in der vorliegenden Erfindung vorgeschlagenen Signalverarbeitung.
Bekannte Strategien zur Schätzung von Verbrennungsparametern beispielsweise aus Ionenstrommessungen können in zwei Hauptkategorien unterteilt werden. Die erste Kategorie umfasst Algorithmen, die die Verbrennungsparameter schätzen, indem nach einem charakteristischen „Phänomen" in den Verbrennungsmessungen Ausschau gehalten wird, welches mit einer Bezugsmessung korreliert. Bei solchen Phänomenen kann es sich um ein Maximum, einen Wendepunkt oder andere Kriterien in den Daten handeln. Die Umsetzung dieses Ansatzes in allen Betriebsbedingungen des Motors ist jedoch schwierig, da die Art des mit dem Verbrennungsparameter korrelierenden Phänomens von den tatsächlichen Arbeitsbedingungen des Motors (RPM, Last usw.) abhängen kann. Somit kann während einer bestimmten Arbeitsbedingung ein lokales Maximum von Interesse sein, aber unter einer anderen Arbeitsbedingung ist ein Wendepunkt geeigneter. Daher trifft dieser Ansatz in der Realität auf erhebliche praktische Probleme und somit ist die Einsatzfähigkeit beschränkt. In diesem Ansatz wird keine a priori-Kenntnis, wie die Parameterwahrscheinlichkeitsverteilung oder ein Signalmodell, verwendet.
Der zweite Ansatz besteht darin, ein deterministisches Signalmodell zu verwenden, welches den Verbrennungsprozess beschreibt. Das Modell wird dann mittels einer Gruppe von Parametern parametriert, die aus den Daten geschätzt werden. Ein Beispiel für ein solches Modell, das auf Ionenstrommessungen angewandt wurde, ist eine Summe aus „Gaußschen Birnen" (z.B. SE 504 197 ). Das Modell wird mindestens in quadratischem Sinn bezüglich der Parameter an die Daten angepasst, wodurch Modellparameterschätzungen erhalten werden. Die Verbrennungsparameter werden dann aus dem geschätzten Gaußschen Modell abgeleitet. Das AFR kann dabei beispielsweise aus der Neigung der ersten Gaußschen Kurve geschätzt werden und die PPL kann aus der Spitze der zweiten Gaußschen Kurve geschätzt werden. Dieser Ansatz verwendet a priori-Kenntnis des Verbrennungsprozesses in Form eines deterministischen Signalmodells. Die Übereinstimmung zwischen den Daten und dem Modell schränkt jedoch den Erfolg dieses Ansatzes ein. Wenn das Modell also nicht über die Fähigkeit verfügt, die Daten genau zu beschreiben, wird die Qualität der geschätzten Verbrennungsparameter nicht angemessen sein. Dies ist der Fall, wenn die Modellstruktur nicht korrekt ist oder der Freiheitsgrad in dem Modell nicht groß genug ist. Leider ist es sehr schwierig, ein Modell zu finden, das die Daten zu allen praktischen Motorbetriebspunkten genau beschreibt.
In US 2002/0078930 wird eine Steuervorrichtung beschrieben, die einen Motor steuert, bei der das AFR in Übereinstimmung mit der Betriebsumgebung geändert werden kann. In WO 96/05419 wird ein Verfahren und ein System für die adaptive Korrektur der Brennstoffmenge beschrieben, welche 2-Takt-Verbrennungsmotoren zugeführt wird. In US 6,505,500 wird eine Anordnung zur Erfassung von Ionisierung in der Verbrennungskammer eines Verbrennungsmotors beschrieben, bei dem der Brennstoff mittels Kompression selbst zündet, sowie eine damit verbundene Mess- und Kalibrierungsvorrichtungen. In US 6,526,954 wird ein System zum Regulieren des Brennstoff/Luft-Gemischs in einem Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern beschrieben. Das System verwendet binäre Sensoren zur Erfassung relativer Abweichungen von der stöchiometrischen Verbrennung, einschließlich individueller Verbrennungsereignisse, und ermöglicht eine Regulierung, um eine optimale und ähnliche Verbrennung in allen Zylindern zu erzielen. In CA 2281621 empfängt eine Steuerung das Ionisierungssignal und steuert das Brennstoff/Luft-Verhältnis in dem Motor basierend zumindest zum Teil auf dem Ionisierungssignal. In einer bevorzugten Ausführungsform des Steuersystems steuert die Steuerung das Luft/Brennstoff-Verhältnis auf der Basis einer ersten lokalen Spitze in dem Ionisierungssignal. In einer anderen Ausführungsform steuert die Steuerung das Luft/Brennstoff-Verhältnis auf der Basis der Maximierung der ersten lokalen Spitze in dem Ionisierungssignal.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abschätzung von Verbrennungsparametern in Verbrennungsmotoren. Sie erweitert bekannte Strategien zur Schätzung von Verbrennungsparametern unter Verwendung von Vorkenntnis, bzw. eines Priors. Dies erfolgt mittels einer linearen oder nicht-linearen Transformation von Messdaten in eine Darstellung, welche in einem Algorithmus zur Erfassung oder Schätzung von Verbrennungsparametern verwendet wird. Die Erfindung kann in zwei Hauptteile unterteilt werden. Zuerst wird ein Prior geformt. Zweitens wird der Prior in einem Schätzalgorithmus verwendet. Dadurch können die Verbrennungsparameter in Echtzeit unter Verwendung der Priorinformation geschätzt werden, wodurch eine adaptive Verbrennungssteuerung ermöglicht wird und eine signifikante Verbesserung der Qualität und Robustheit der Schätzungen im Vergleich dazu erhalten wird, wenn diese Information (Prior) ungenutzt geblieben wäre.
Die Erfindung macht die Verwendung kostengünstiger Verbrennungsparametersensoren möglich. Die Messungen aus solchen Sensoren können als solche nicht in einer geschlossenen Regelkreis-Motorsteuerung verwendet werden, da sie nicht genau und robust genug sind. Die Erfindung verfeinert die in den Messungen enthaltenen Informationen und erzeugt Schätzungen hoher Güte und Verlässlichkeit.
Die Erfindung macht die Extraktion von Informationen möglich, die in der Kombination der Verbrennungsparametermessungen von einem Zyklus zum anderen enthalten sind. Diese Informationen wurden zuvor im Kontext der Verbrennungsparameterschätzung unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht extrahiert. Unter Verwendung der Erfindung werden die Verbrennungsparameterschätzungen robuster und genauer, als wenn die Erfindung ungenutzt geblieben wäre, wodurch eine geschlossene Regelkreis-Steuerung ermöglicht wird, die über das Potenzial verfügt, die Leistung von Verbrennungsmotoren drastisch zu verbessern.
Die Erfindung macht es außerdem möglich, viele Verbrennungsparameter gleichzeitig abzuschätzen. In vielen Anwendungen zur Motorsteuerung und -diagnose ist dies entscheidend, da die Bestimmung der richtigen Steueraktion ohne verlässliche Schätzung einer Gruppe von Verbrennungsparametern schwierig sein kann.
Der Prior kann unter Verwendung physikalischer Beziehungen, Messungen oder einer Kombination daraus erstellt werden. Es kann beispielsweise die Wahrscheinlichkeitsdichteverteilung der PPL und des AFR mittels Messungen in einer experimentellen Umgebung unter Verwendung von Messfühlern hoher Verlässlichkeit geschätzt werden, beispielsweise mit einem Zylinderdrucksensor und einem Lambda-Sensor. Die PPL und das AFR werden dann wiederholt für unterschiedliche Einstellungen des AFR gemessen. Aus den Messungen kann eine geschätzte Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion in Abhängigkeit von AFR und PPL berechnet werden, wie in 7a-d gezeigt. Dieser Prior kann dann in einer nichtexperimentellen Anwendung beim Schätzen des AFR und der PPL beispielsweise aus Ionenstromsignalen verwendet werden, welche selbst in der Regel weniger verlässlich sind. Es ist auch möglich, vorherige physikalische Kenntnis zu verwenden, um einen Prior zu bestimmen. Bei gegebener Vorzündung, Brennstoffgüte, Last und Drehzahl ist beispielsweise bekannt, bei welchem Kurbelwinkel der Spitzendruck zu erwarten ist.
Allgemein wird der Prior unter Verwendung einer linearen oder nicht-linearen Transformation von Messdaten ermittelt, welche in einem experimentellen Aufbau, typischerweise mit Messfühlern hoher Qualität, gesammelt wurden. Der Prior ist eine Darstellung, welche beschreibt, wie die Verbrennungsparamater zueinander in Beziehung stehen und kann als eine statistische Beschreibung in Form einer geschätzten oder berechneten Funktion beschrieben werden, welche proportional zu der Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion ist.
Die vorliegende Erfindung beschreibt somit ein Verfahren zur Verbrennungsmotorsteuerung umfassend einen Motor, mindestens einen Sensor und mindestens eine Motorsteuerungseinheit, die angeordnet ist, um den Motor unter Verwendung von Echtzeitsensordaten zu steuern, und wobei ein Prior verwendet wird, um mindestens eine Verbrennungsparameterschätzung und/oder mindestens eine Verbrennungsparametermessung aus den Echtzeitsensordaten abzuleiten, und wobei die mindestens eine Verbrennungsparameterschätzung und/oder die mindestens eine Verbrennungsparametermessung beim Ausführen der Motorsteuerung verwendet wird.
Und gemäß weiteren Aspekten der Erfindung

– kann der Prior mindestens bis zu einem gewissen Grad in Form einer Nachschlagtabelle vorliegen,
– kann der Prior mindestens bis zu einem gewissen Grad eine lineare oder nicht-lineare Transformation der Messdaten sein,
– wird in einem einzelnen Verbrennungszyklus ein Prior verwendet, um einen Verbrennungsparameterkandidaten aus einer Gruppe von Kandidaten als die Verbrennungsparametermessung auszuwählen,
– wird der Kandidat mit dem geringsten Risiko als die Verbrennungsparametermessung ausgewählt,
– werden die Verbrennungsparameterschätzungen aus vorherigen Verbrennungszyklen, Echtzeitsensordaten und Verbrennungsparametermessungen und ein Prior verwendet, um eine Verbrennungsparameterschätzung des aktuellen Verbrennungszyklus zu erhalten,
– wird die Verbrennungsparameterschätzung des aktuellen Verbrennungszyklus unter Verwendung einer Risikofunktion auf der Basis eines Priors und der Verbrennungsparameterschätzungen vorheriger Ver brennungszyklen und der Verbrennungsparametermessung des aktuellen Zyklus abgeleitet,
– wird der Prior bis zu einem gewissen Grad aus der Verbrennungstheorie abgeleitet,
– wird der Prior bis zu einem gewissen Grad aus praktischen Experimenten an einem Modellmotor abgeleitet,
– wird der Prior bis zu einem gewissen Grad durch Analysieren der Motorleistung während des Motorbetriebs aktualisiert.

1 zeigt einen schematischen Überblick eines Motors und eines Systems umfassend einen Verbrennungsparameterschätzer,
2 zeigt den Durchschnitt von 100 Zyklen des Innenstroms und des Drucks in einem Zylinder,
2a zeigt ein Detail aus 2,
3 zeigt ein Schema, wie ein einziger Kandidat aus einer Gruppe von Kandidaten gemäß der Erfindung ausgewählt wird, wodurch eine Verbrennungsparametermessung erhalten wird,
4 zeigt ein Schema, wie eine Endschätzung eines Verbrennungsparameters unter Verwendung von Priorschätzungen erzeugt wird,
5 zeigt einen Überblick über die in dem vorgeschlagenen Algorithmus verwendeten Variablen,
6a zeigt den Ionenstrom während eines einzigen Zyklus und eine Gruppe von Kandidaten für die Spitzendruckstelle, wobei die PPL bei einem lokalen Maximum gefunden wird,
6b zeigt den Ionenstrom während eines einzigen Zyklus und eine Gruppe von Kandidaten für die Spitzendruckstelle, wobei die PPL bei einem Wendepunkt gefunden wird,
6c zeigt den Ionenstrom während eines einzigen Zyklus und eine Schätzung für die Verbren nungsgeschwindigkeit, welche proportional zu dem AFR ist,
7a zeigt die theoretische Beziehung zwischen dem AFR und dem PPL,
7b zeigt ein zweidimensionales Histogramm, das PPL und AFR gegenüberstellt, d.h. einen Prior, der vollkommen auf experimentellen Ergebnissen beruht,
7c zeigt eine Glättung des Histogramms aus 7b,
7d zeigt eine Umrisskurve aus 7c,
8a-h zeigen Beispiele für AFR- und PPL-Schätzungen unter Verwendung des vorgeschlagenen Verfahrens,
8i-j zeigen den Prior und das Risiko für denselben Fall wie in 8a-h.
1 zeigt einen Überblick über ein Verbrennungssteuersystem für einen Motor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine Motorsteuereinheit 200 steuert einen Motor 100 durch Verwendung der Steuersignale U. Die Steuersignale U können unterschiedliche Aspekte des Motors 100 steuern, wie beispielsweise die Brennstoffmischung und die Zündungszeit usw. für jeden Zylinder in dem Motor und für jeden Verbrennungszyklus. Durch Steuern des Motors 100 kann der Betrieb des Motors 100 beispielsweise bezüglich des Brennstoffverbrauchs, der Emissionen und der Leistung verbessert werden. Um die Steuersignale U zu bestimmen, werden der Motorsteuereinheit 200 Rückkopplungsinformationen über die Leistung des Motors 100 bereitgestellt. Die Motorsteuereinheit 200 empfängt Eingaben wie RPM und Last von dem Motor 100, Drehmoment-(Drossel-)Anforderungen von dem Fahrer und Verbrennungsparameterschätzungen X(k), die unter Verwendung des Verbrennungsparameterschätzers 300 aus den Sensormessungen S(k) abgeleitet werden. Natürlich könnte es sich bei dem Verbrennungsparameterschätzer 300 um einen integralen Bestandteil der Motorsteuereinheit 200 handeln. Der Verbrennungsparameterschätzer 300 empfängt irgendeine Art von Verbrennungsprozessmessungen S(k) von dem Motor 100. Bei den Eingaben S(k) kann es sich um jede Verbrennungssensorausgabe handeln, zum Beispiel Ionenstrom. Der Verbrennungsparameterschätzer 300 liefert Verbrennungsparameterschätzungen X(k), die an die Motorsteuereinheit 200 zur Verwendung bei der Steuerung des Motors 100 gesendet werden. In dem Verbrennungsparameterschätzer 300 können beispielsweise die PPL, das AFR und MFB geschätzt werden. Die vorliegende Erfindung betrifft die Schätzverfahren in dem Verbrennungsparameterschätzer 300.
2 ist ein Schaubild über den Ionenstrom 6 als Funktion des Kurbelwinkels während eines Verbrennungszyklus. Außerdem wird die Kurve des Drucks im Zylinder 5 als Funktion des Kurbelwinkels gezeigt. Betrachten wir die Ionenstromkurve. Das erste Maximum entspricht dem Schließwinkel der Zündung, d.h. wenn der Strom in der primären Seite des Zündsystems zu fließen beginnt. Das Ende der Spitze ist, wenn der Funken beginnt. Zu Beginn der zweiten Spitze, in 6 mit 7 bezeichnet, endet der Funke. Nach dem Ende des Funkens gibt es eine zweite Spitze, in 2 mit 7 bezeichnet. Diese Spitze kommt von einem „Spulenklingeln", wenn die Restenergie im Zündsystem freigesetzt wird. Nach dieser Spitze kann die Flammenfront 3 in dem Zylinder mit einer Flammenfrontspitze 3a gesehen werden. Auf die Flammenfront 3 folgt die Nachflamme 4, welche eine Nachflammenspitze 4a aufweist. Die Druckkurve 5 hat eine Spitzendruckstelle 5a (PPL 5a), die den Maximaldruck in dem Zylinder anzeigt. Der Druck nimmt aufgrund der Gasausdehnung zu, wenn die Brennstoffmischung verbrannt wird. Es ist bekannt, dass die PPL 5a mit der Spitze 4a der Nachflamme in dem Ionenstrom korreliert. Ein einfacher An satz wäre die Suche nach einem Maximum in dem Ionenstrom und die Auswahl dieses Maximums als eine Messung der PPL. In der Praxis ist dies aus zwei Gründen jedoch nicht erfolgreich. Erstens können die Flammenfront und die Nachflamme bei einigen RPMs und Lasten so nah beieinander liegen, dass die PPL nicht als ein Maximum, sondern als Wendepunkt sichtbar ist. Zweitens ist der Ionenstrom gewöhnlich nicht so gleichmäßig wie in 2 dargestellt und es kann einige lokale Maxima und Wendepunkte geben, was eine Bestimmung schwierig macht, welcher davon der PPL entspricht. Es kann also einige „Kandidaten" für eine PPL-Messung basierend auf dem Ionenstrom geben. z(k, j, n) seien die Kandidaten für eine Verbrennungsparametermessung, wobei k = 1, ... K ein laufender Index ist, der die Zykluszahl bezeichnet, und j = 1 ... J den Verbrennungsparameterindex bezeichnet (z.B. PPL, AFR usw.) und n = 1 ... N bezeichnet die „Kandidaten"-Nummer. Es muss noch der Kandidat z(k, j, n) gewählt werden, der der PPL entspricht, d.h. der eine, der am wahrscheinlichsten ist.
Im Folgenden wird angenommen:

– s₁(k, Φ) bezeichnet eine Messung des Verbrennungsprozesses (z.B. Ionenstrom), wobei l = 1, ..., L der Sensorindex, k = 1 ... K ein laufender Index für die Zyklusnummer und Φ ∈[–360, 360] der Kurbelwinkel ist,
– v(k, j) bezeichnet die Verbrennungsparameter, wobei j = 1 ... J der Verbrennungsparameterindex ist (z.B. bezeichnet j = 1 PPL, j = 2 bezeichnet AFR usw.),
– z(k, j, n) bezeichnet die Kandidaten für eine Messung von v(k, j), wobei n = 1 ... N die „Kandidaten"-Nummer bezeichnet,
– R₁(k, j, n) bezeichnet das mit der Auswahl von Kandidat z(k, j, n) als Messung verbundene „Risiko", d.h. ein Maß der Wahrscheinlichkeit, dass der Kandidat die Messung ist,
– P₁(k, j; z) bezeichnet die zur Berechnung des Risikos R₁(k, j, n) verwendete Priorfunktion, d.h. R₁(k, j, n) = f(P₁(k, j; z(k, j, n))), wobei f(•) eine Funktion ist, und
– y(k, j) bezeichnet die Messung von v(k, j).

In dieser Erfindung wird y(k, j) eine Messung genannt, unabhängig davon, wie y(k, j) abgeleitet wurde. Dies geschieht aus praktischen Gründen, um im Folgenden eine Verwirrung zu vermeiden, wenn die Schätzung x(k, j) eingeführt wird. Hier kann y(k, j) sowohl eine Ausgabe von einem Sensor (d.h. eine Messung) oder ein von einem Ionenstromsignal abgeleiteter Verbrennungsparameterwert (d.h. eine Schätzung im engen Sinn des Wortes) sein. Der Begriff Schätzung ist hier für das Ergebnis einer gleichzeitigen Schätzung mindestens zweier Verbrennungsparameter unter Verwendung eines Priors vorbehalten.
3 zeigt ein Verfahren, wie ein einziger Kandidat aus einer Gruppe von Kandidaten gemäß der Erfindung ausgewählt wird. Dies geschieht unter Verwendung eines Priors und wird unter Verwendung der vier Schritte 101-104 ausgeführt. Schritt 101-104 kann für jeden Parameter j wiederholt werden.
In Schritt 101 wird ein Prior abgeleitet. Der Prior ist eine Funktion, aus der die Wahrscheinlichkeit, dass ein bestimmter Kandidat die Messung des Verbrennungsparameters ist, berechnet werden kann. In dem obigen Beispiel der PPL-Messung, ist beispielsweise bekannt, wann der Funke gezündet wurde und es ist ziemlich gut bekannt, wie schnell das Luft/Brennstoff-Gemisch verbrennt. Diese Information bestimmt in Kombination mit der Kenntnis über den Aufbau des Motors, wann die PPL erwartet werden kann. Die Basis für einen Prior für die PPL-Schätzung kann somit der Zündzeitpunkt plus einer Kon stanten sein, die von der Drehzahl und der Last abhängen kann. Allgemein kann der Prior eine Funktion der Daten in einer Nachschlagtabelle sein und kann unter Verwendung einer linearen oder nicht-linearen Transformation der Messdaten berechnet werden. Bei gegebenem Prior kann ein Maß der Wahrscheinlichkeit, dass z(k, j, n) eine Messung von v(k, j) ist, unter Verwendung von R_i(k, j, n) berechnet werden, was in Schritt 103 erfolgt. Zunächst müssen jedoch die Kandidaten berechnet werden.
In Schritt 102 wird der mindestens eine Kandidat z(k, j, n) aus den Daten berechnet. In dem PPL-Beispiel oben sind die Kandidaten für eine PPL-Messung z(k, 1, l) bis z(k, 1, n) die Kurbelwinkel, die allen lokalen Maxima und Inflexionspunkten in dem Ionenstrom, siehe 6a und 6b, entsprechen. Ein Kandidat kann jedoch durch andere Phänomene in den gesammelten Daten abhängig davon, welcher Verbrennungsparameter v(k, j) geschätzt werden soll, gekennzeichnet sein. Die Erfindung beansprucht nicht, wie diese Kandidaten z(k, j, n) erhalten werden; vielmehr wählt das Verfahren einen von ihnen als die Messung des Verbrennungsparameters aus (siehe Schritt 104).
In Schritt 103 wird das „Risiko" R₁(k, j, n) für jeden Kandidaten z(k, j, n) berechnet. R₁(k, j, n) ist eine Funktion, welche ein Maß der Wahrscheinlichkeit gibt, dass Kandidat z(k, j, n) die Messung des Verbrennungsparameters v(k, j) ist und wird in der Literatur zur Signalverarbeitung oft als „Risikofunktion" bezeichnet. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass das Minimieren des Risikos äquivalent zum Maximieren der Wahrscheinlichkeit, den richtigen Kandidaten als die Messung auszuwählen, ist. Im Folgenden wird angenommen, dass R₁(k, j, n) das Risiko widerspiegelt, aber es könnte ebensogut eine Funktion sein, die die Wahrscheinlichkeit widerspiegelt, den richtigen Kandidaten auszuwählen. Wenn R_i(k, j, 1) > R₁ (k, j, 2), dann ist z(k, j, 2) mit weniger Risiko verknüpft oder, äquivalent, es ist wahrscheinlicher, dass z(k, j, 1) eine Messung von v(k, j) ist. In der Folge sollte z(k, j, 2) als die Messung ausgewählt werden, d.h. y(k, j) = z (k, j, 2). Die Erfindung ist nicht darauf beschränkt, wie das Risiko R₁(k, j, n) berechnet wird, sondern vielmehr darauf, dass eine Schätzung des Risikos (oder der Wahrscheinlichkeit, den richtigen Kandidaten zu wählen) auf der Basis eines Priors in dem Schätzprozess verwendet wird.
In dem Beispiel der PPL-Schätzung kann das Risiko als der geometrische Abstand zwischen dem Kandidaten z(k, j, n) und dem erwarteten Wert der PPL genommen werden, wie aus dem Zündzeitpunkt, wie oben beschrieben, berechnet, d.h. der Prior P₁(k, j; z) = E[PPL(k)], wobei E[PPL(k)] den erwarteten Wert der PPL für den Verbrennungszyklus k bezeichnet. Dann kann diese Risikofunktion ausgedrückt werden als R₁(k, j, n) = |E[PPL(k)] – z(k, j, n)|. Hierbei wird implizit eine symmetrische Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion vorausgesetzt. Wäre die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion nicht symmetrisch, dann wäre eine Risikofunktion, die dies berücksichtigt, geeigneter.
In Schritt 104 wird die Messung y(k, j) des Verbrennungsparameters v(k, j) als der Kandidat z(k, j, n) erhalten, der das Risiko R₁(k, j, n) minimiert. Es gibt jedoch Verbrennungsparameter, für die es nur einen Kandidaten gibt. Es sei beispielsweise eine Messung des AFR basierend auf Ionenstrom betrachtet. 2a zeigt ein Detail des Ionenstroms 6 aus 2. Aus der Verbrennungstheorie ist bekannt, dass die Steigung 7 der ansteigenden Flanke der Flammenfront des Ionenstroms 6 gut mit dem Luft/Brennstoff-Verhältnis AFR korreliert. Somit kann die Ableitung 7 als eine Messung y(k, 2) des AFR verwendet werden. In diesem Beispiel gibt es keine anderen Kandidaten für die Messung und daher ist keine weitere Verarbeitung basierend auf einem Prior für einen einzigen Verbrennungszyklus notwendig. Es ist jedoch bekannt, dass die PPL und das AFR aufgrund physikalischer Beziehung eng miteinander korrelieren, was im Folgenden ausgenutzt werden wird.
x(k, j) soll eine Schätzung von v(k, j) bezeichnen, wobei es sich um das Ergebnis einer gleichzeitigen Schätzung mindestens zweier Verbrennungsparameter unter Verwendung eines Priors handelt. Zweckmäßig werden die folgenden Vektorbezeichnungen eingeführt:

– V(k) = (v(k, 1), ..., v(k, J))^T, wobei ^T Transponierte bezeichnet,
– Y(k) = (Y(k, 1), ..., Y(k, J))^T,
– X(k) = (x(k, 1), ..., x(k, J))^T.

Ferner soll

– R₁(k; Y, Y) die „Risiko"-Funktion, d.h. ein Wahrscheinlichkeitsmaß, bezeichnen, die mit einem Verbrennungsparameter-Zustandsübergang von X(k – 1) zu Y(k) : 0 < R₂(k; X, Y) < 1, verbunden ist,
– P₂(k; X, Y) einen Prior bezeichnet, der zur Berechnung des Risikos verwendet wird, z.B. eine Funktion oder eine Tabelle: R₂(k; X, Y) = g(P(k; X, Y)), wobei g(•) irgendeine Funktion ist.

Die allgemeine Formel für einen Bayesschen Schätzer lautet
wobei p(x|y) die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion für (die Verbrennungsparameter) x bei gegebenen Messungen y ist und E(x|y) den erwarteten Wert von x bei gegebenen y ist. Ein solcher Schätzer kann auf verschiedne Weisen implementiert werden, es ist aber allgemein sehr schwierig, ihn in geschlossener Form zu erhalten. Im Folgenden wird die Struktur einer rekursiven Implementation als ein Beispiel gegeben, wie ein Prior in einer Echtzeit-Schätzung verwendet werden kann, die eine geschlossene Regelkreissteuerung oder -überwachung des Verbrennungsprozesses in den Zylindern ermöglicht.
Beispiel:
Es ist wohlbekannt, wie das AFR und die PPL miteinander in Beziehung stehen. Es wird angenommen, dass ein Prior P₂(k; X, Y) für diese beiden Parameter konstruiert wurde. Es sei der Fall betrachtet, in dem die Messung Y(k) einen Wert annimmt, der sich von der während des vorhergehenden Zyklus erzielten Schätzung X(k – 1) unterscheidet, aber viel unwahrscheinlicher ist. Dann sollte die neue Schätzung X(k) nicht von der (wahrscheinlicheren) X(k – 1) zu der (weniger wahrscheinlichen) Messung Y(k) geändert werden, da sie durch Rauschen gestört sein kann. Die Schätzung sollte „in Richtung" auf die Messung Y(k) geändert werden, aber nicht gleich Y(k) sein. Vorzugsweise sollte die aktualisierte Schätzung X(k) auf einen Wert eingestellt werden, der irgendwo zwischen X(k – 1) und Y(k) liegt, abhängig davon, dass sich der Wert des geschätzten Risikos R₂(k; X, Y) vom Zustand X(k – 1) zu Y(k) bewegt.
4 zeigt ein zweites Verfahren zum Erhalten einer Verbrennungsparameterschätzung X(k) besserer Qualität als die Messung Y(k) unter Verwendung eines Priors P₂(k; X, Y) und der vorherigen Schätzung X(k – 1).
In Schritt 201 aus 4 werden geschätzte Werte der Parameter aus dem vorherigen Zyklus X(k – 1) gemeinsam mit der Messung Y(k) verwendet. Die Messung Y(k) kann unter Verwendung des Verfahrens aus Schritten 101-104 erhalten werden, aber die Erfindung ist nicht auf die Verwendung der Schritte 101-104 beschränkt. Andere Mittel zum Erhalt der Messungen Y(k) können ebenfalls verwendet werden. Die Schätzungen X(k) werden mittels Iteration (Schritte 201-203) mit Ausnahme der Startposition, wenn ein Startvektor X(1) = Y(1) verwendet wird, erhalten.
In Schritt 202 wird das Risiko R₂(k; X, Y) unter Verwendung des Priors P₂(k; X, Y) berechnet. Wie der Prior konstruiert wird, ist für die Erfindung nicht wesentlich. Jede Tabelle oder lineare oder nicht-lineare Transformation von Daten, die proportional zu einem Wahrscheinlichkeitsmaß, von Zustand X(k – 1) zu Y(k) zu gehen, ist, kann verwendet werden. Der Prior P₂(k; X, Y) kann durch Messen von Verbrennungsparametern in einem experimentellen Aufbau (Motordynamometer) unter Verwendung von Hochqualitätssensoren konstruiert werden. Die Verbrennungsparameter werden über eine große Anzahl von Zyklen gemessen und für eine Reihe von Maschinenarbeitspunkten aufgezeichnet. Dann können die Messungen auch zur Konstruktion eines Histogramms verwendet werden. Dieses Histogramm sei mit H(X) bezeichnet, wobei X der Verbrennungsparameterzustandsvektor ist. Das Histogramm ist eine Nachschlagtabelle und kann als eine „Motorkarte" mit den Verbrennungsparametern als Tabellenindex und einem Maß für die Wahrscheinlichkeit der entsprechenden Kombination aus Verbrennungsparametern als Einträge betrachtet werden.
Das Histogramm kann dann beispielsweise verwendet werden, um den Prior wie folgt zu bilden
d.h. der Prior ist definiert als das Verhältnis zwischen den Wahrscheinlichkeiten (d.h. den Werten in dem Histogramm), welches dann, die Wahrscheinlichkeit von Zustand X(k – 1) zu Y(k) überzugehen, widerspiegeln. Der Prior kann natürlich auch so sein, dass er bekannte physikalische Verhältnisse (z.B. das Verhältnis zwischen der Verbrennungsgeschwindigkeit und dem AFR) beinhaltet. Er kann auch datenabhängig sein, d.h. der Prior kann bezüglich der Daten auf adaptive Weise optimiert werden, um Variationen in z.B. der Brennstoffqualität oder der Luftfeuchtigkeit zu kompensieren. In dem oben betrachteten Beispiel gilt P₂(k; X, Y) > 0, da H(X) > 0. Nun kann das Risiko wie folgt berechnet werden
wobei exp{•} den natürlichen Logarithmus bezeichnet und σ > 0 ein Aufbauparameter ist. Die Risikofunktion kann verwendet werden, um die Leistung der Sensoren, die eine geringere Genauigkeit als die beim Bilden eines Priors verwendeten aufweisen, zu verbessern. Allgemein wird die zur Berechnung des Risikos R₂(k; X, Y) verwendete Funktion P₂(k; X, Y) durch den Nutzer definiert und kann eine lineare oder nicht-lineare Transformation von Daten sein, oder sie kann unter Verwendung von Informationen aus Motortests, Korrelationen zwischen Parametern, theoretischer oder praktischer Kenntnis über Parameterverteilung und Verhalten sowie anderer Faktoren konstruiert werden.
In Schritt 203 wird eine Endschätzung von V(k), die durch X(k) bezeichnet wird, unter Verwendung der Schätzung aus dem vorherigen Zyklus X(k – 1), der Messungen Y(k) des aktuellen Zyklus und des Risikos R₂(k; X, Y) wie folgt berechnet X(k) = R2(k; X, Y)·X (k – 1) + (1 – R2(k; X, Y))·Y(k),wodurch das Gesamtrisiko minimiert wird.
Zur Klärung der hinter den Schritten 202-203 stehenden Grundidee wird ein Fall berücksichtigt, wenn die Messung Y(k) viel unwahrscheinlicher ist, als die Schätzung aus dem vorherigen Zyklus X(k – 1), d.h. das Risiko, von Zustand X(k – 1) zu Y(k) überzugehen, ist groß, so dass P₂(k; X, Y) << σ. Dann folgt unter Verwendung des oben vorgeschlagenen Priors, dass R₂(k; X, Y) ≈ 1.
In diesem Fall sollte die Schätzung mit nur geringem Y(k) zugewiesenen Gewicht aktualisiert werden, d.h. die aktualisierte Schätzung wird nahe der vorherigen Schätzung sein, X(k) ≈ X(k – 1). Wenn andererseits die Messung Y(k) viel wahrscheinlicher ist als die Schätzung aus dem vorherigen Zyklus, dann folgt P₂(k; X, Y) >> σ und R₂(k; X, Y) ≈ 0. Dann ist das Risiko, den durch die Messung Y(k) angezeigten Zustandsübergang auszuführen, gering und daher sollte Y(k) ein großes Gewicht zugewiesen werden, so dass X(k) ≈ Y(k).
Wie aus der Formel zur Aktualisierung der Parameterschätzung ersichtlich, kam ein Rekursionsansatz zur Anwendung. Natürlich ist es auch möglich, andere Algorithmen als diesen Grundansatz zu verwenden, um die Endschätzung unter Verwendung von Priorinformation zu erhalten. Beispielsweise könnte eine auf der Kovarianzmatrix von Y(k) beruhende Gewichtung verwendet werden, um eine effizientere Aktualisierung zu erzielen. Der Schwerpunkt der Erfindung liegt auf der Verwendung eines Priors für die Schätzung von Verbrennungsparametern.
5 zeigt die Hierarchie von Variablen in dem Verfahren. Sensordaten s₁(k, ϕ) werden von Sensorausgängen gesammelt. Von den Sensordaten werden Kandidaten z(k, j, n) für die Messung y(k, j) abgeleitet, jeweils in Matrix- und Vektorform, die wie oben definiert mit Z(k) und Y(k) bezeichnet sind. Durch Anwenden der Schritte 101-104 auf die Kandidaten z(k, j, n) unter Verwendung des ersten Priors P₁(k, j; z) wird die Messung Y(k), die in Schritten 201-204 mit dem zweiten Prior P₂(k; X, Y) verwendet wird, die Risikofunktion R₂(k; X, Y) und die vorherige Schätzung abgeleitet, um schließlich die Schätzung X(k) der Verbrennungsparameter V(k) zu erhalten.
6a zeigt ein Schaubild des Ionenstroms während eines einzigen Zyklus und ein Verfahren der Schritte 101 bis 104 aus 2, um eine Messung y(k, 1) der PPL abzuleiten. Unter Verwendung des theoretischen Hintergrunds und/oder praktischer Experimente ist es möglich, einen Prior P₁(k, j; z) abzuleiten, der in diesem Beispiel als die erwartete PPL-Wahrscheinlichkeitsdichte als Funktion des Zündzeitpunktes gewählt wird. Diese wird einfach unter Verwendung bekannter Beziehungen zwischen der Druckentwicklung in dem Zylinder und dem Zündzeitpunkt und der Arbeitsbedingung des Motors (RPM und Last) abgeleitet. Anhand der Verbrennungstheorie wird erwartet, dass die Spitzendruckstelle PPL bei einem Maximum des Ionenstroms, in 6a mit ,O' bezeichnet, oder einem Wendepunkt, mit ,X' bezeichnet, auftritt. Die gepunktete Linie 5 zeigt eine theoretische Drucklinie in dem Zylinder, bei der das Maximum des theoretischen Drucks zur Ableitung des Priors P₁(k, j; z) verwendet wurde. Die Kandidaten für PPL werden als die Maxima und Inflexionspunkte in dem Ionenstrom gewählt, unter Umständen nach Einsatz eines Niedrigpassfilters, um Hochfregenzstörungen, wie thermisches Rauschen, zu vermeiden. Die Kandidaten in diesem Beispiel werden in 6a mit z(k, 1, 1) ... z(k, 1, 8) bezeichnet. Gemäß der Erfindung wird der Kandidat, der das Risiko R₁(k, 1, n) minimiert, als Messung v(k, 1) ausgewählt. Wenn der Prior symmetrisch ist, z.B. Gaußschverteilt, dann ist die Risikofunktion einfach der geometrische Abstand zwischen der erwarteten PPL und den entsprechenden Kandidaten z(k, 1, 1) ... z(k, 1, 8). Andere Wahrscheinlichkeitsdichteverteilungen sind natürlich auch möglich. Der Kandidat, der das Risiko minimiert, wird als die Messung ausgewählt. Der Graph aus 6a ergibt das Ergebnis, dass der Kandidat z(k, 1, 7) das Risiko minimiert und wird daher als die Messung ausgewählt, d.h., y(k, 1) = z(k, 1, 7). In diesem Beispiel zeigte ein lokales Maximum in dem Ionenstrom die PPL an. Bei anderen Arbeitsbedingungen des Motors kann jedoch ein Wende- bzw. Inflexionspunkt die PPL anzeigen, wie in dem Beispiel aus 6b, wo vier Kandidaten abgeleitet wurden. In diesem Fall gibt der Kandidat z(k, 1, 3) das geringste Risiko R₁(k, 1, n), n = 1 ... 4 und wird daher als die Messung ausgewählt, d.h. y(k, 1) = z (k, 1, 3). Es ist offensichtlich, dass, wenn es nur einen Kandidaten gibt, der Kandidat als die Messung ausgewählt wird.
Es seien die 7a-d betrachtet, die Beispiele der Beziehung zwischen AFR und PPL zeigen und wie diese zur Bildung eines Priors verwendet werden können. 7a zeigt eine theoretische Beziehung zwischen AFR und PPL, 7b zeigt ein Histogramm über die Anzahl des Auftretens als Funktion von AFR und PPL in einem experimentellen Aufbau, 7c zeigt eine geglättete Version von 7b und 7d zeigt eine Umrisskurve von 7c.
Das in 7c gezeigte geglättete Histogramm H(X) kann für die gleichzeitige Schätzung von PPL und AFR verwendet werden. Der Prior kann als eine (nicht notwendigerweise normalisierte) Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion mit PPL und AFR auf der x- bzw. der y-Achse interpretiert werden und die Wahrscheinlichkeit für eine solche Kombination aus PPL und AFR auf der z-Achse. Für AFR gleich 0,89 gibt es ein Minimum, welches in 7a klar zu sehen ist, und wird dadurch erklärt, dass für dieses AFR die Verbrennungsgeschwindigkeit der Brenn stoffmischung bei ihrem Maximum liegt. Somit wird die Erhöhung oder Verringerung des AFR zu einer geringeren Verbrennungsgeschwindigkeit führen und als Folge wird die PPL zunehmen. Ein Prior kann durch wiederholte Messungen in Laborumgebung (Motordynamometer) in Verbindung mit bekannten physikalischen Beziehungen, wie der oben genannten Beziehung zwischen AFR und PPL, konstruiert werden. Ein Histogramm über PPL und AFR ist ein Beispiel für Priorinformation, die verwendet werden kann, um die Qualität der Verbrennungsparameterschätzungen zu verfeinern. Der Prior kann jedoch auch von anderen Variablen abhängen, wie Luftfeuchtigkeit und Brennstoffqualität. Wenn diese Quantitäten nicht gemessen werden, kann der Prior von den Messungen unter Verwendung einer geeigneten linearen oder nicht-linearen Transformation der Daten abhängen.
8a-b zeigen mögliche Messungen und Schätzungen von AFR und PPL unter Verwendung der Erfindung. Die durchgezogene gerade Linie in 8a-b ist der wirkliche Verbrennungsparameterwert, die durchgezogene unregelmäßige Linie ist die Schätzung und die Punkte sind die Messungen. 8c-d zeigen ein Detail der „Rampenänderung" in 8a-b und 8e-f zeigen Details der Schrittänderung. In 8a-f sind die Messungen y(k, 1) für PPL und y(k, 2) für AFR (Punkte) um die wirklichen Werte v(k, 1) und v(k, 2) (durchgezogen gerade) verteilt, was an Ungenauigkeiten des Messverfahrens liegt. Die Schätzungen x(k, 1) und x(k, 2) sind jedoch nahe an den wirklichen Werten v(k, 1) und v(k, 2) und sind viel genauer als die Messungen y(k, 1) und y(k, 2). Insbesondere ist die Verfolgungsleistung gut, d.h. die Fähigkeit, Änderungen in den Verbrennungsparametern von Zyklus zu Zyklus mit einer minimalen zeitlichen Verzögerung zu verfolgen.
8g zeigt Messungen, die gegenüber ihren AFR- und PPL-Koordinaten zusammen mit dem theoretischen Verhältnis zwischen AFR und PPL (7a, durchgezogene Linie) eingetragen sind. Die Messungen sind aufgrund von Rauschen verteilt.
8h ist dieselbe wie 8g, aber die Schätzungen sind gegenüber ihren AFR- und PPL-Koordinaten eingetragen. Die Schätzungen sind viel weniger verteilt als die Messungen (8g). 8i-j zeigt den Prior P₂(k; X, Y) und die Risikofunktion R₂(k; X, Y) gegenüber der Zykluszahl k. Das Risiko ändert sich mit der Zykluszahl.
8a-j zeigen, dass die Erfindung verwendet werden kann, um robuste und genaue Schätzungen unter Verwendung ungenauer Messungen aus kostengünstigen Sensoren zu erzeugen. Durch Verwenden der erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, eine enge Übereinstimmung zwischen den Schätzungen und den wirklichen Werten zu erhalten, auch wenn die Messungen sehr verrauscht sind.
Das oben genannte Verfahren kann natürlich auf die Schätzung aller möglichen unterschiedlichen Verbrennungsparameter und nicht nur auf die oben genannten angewendet werden. Außerdem können die Schätzungen in einer Erfassungsstrategie verwendet werden, um beispielsweise Klopfen und Fehlzündungen oder die Magerbrenngrenze zu erfassen.
Der Begriff Prior wurde hier umfangreich verwendet und seine Bedeutung in diesem Kontext wird hier zur Verdeutlichung definiert. Mit Prior ist eine a priori-Informationsquelle gemeint, aus der ein Wahrscheinlichkeitsmaß für Verbrennungsparametermessungen oder -schätzungen berechnet werden kann. Ein solcher Prior kann in Form einer Nachschlagtabelle oder einer Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion oder einer anderen linea ren oder nicht-linearen Datentransformation vorliegen. Es versteht sich, dass sich der Prior von den bekannten Nachschlagtabellen (Motorkarten) unterscheidet, die für herkömmliche Motorsteuerung verwendet werden. Die im herkömmlichen Zusammenhang verwendete Nachschlagtabelle ist eine vorkonfigurierte Tabelle mit Motordaten, die für die offene Steuerung verwendet werden. In diesem Fall wird eine Gruppe von Variablen, wie RPM und Last, als Indizes in der Nachschlagtabelle verwendet, in der die geeigneten Steuerparameter gespeichert sind (wie Vorzündung, Brennstoffeinspritzung usw.). In der Erfindung werden die Nachschlagtabellen (Priors) verwendet, um Verbrennungsparameter zu schätzen und sie können Informationen über Korrelationen und Kovarianz zwischen Parametern und/oder Wahrscheinlichkeitsdichteverteilungen der Parameter enthalten. Der Prior kann auch von Messungen unterschiedlicher Art abhängen. Beispielsweise kann der Prior eine Funktion des Drosselklappenwinkels sein, da bei gegebenem Drosselklappenwinkel ein bestimmtes AFR erwartet wird. Angenommen, die individuellen AFRs in den Zylindern müssten geschätzt werden. Dann kann der Prior diese a priori-(Drosselklappenwinkel)-Kenntnis durch eine geeignete Gewichtung eines allgemeineren Priors absorbieren.
Der Prior wird in einer Art Risikofunktion verwendet, welche bezüglich der Verbrennungsparameter unter Verwendung von einer Art Suche oder anderen Minimierungsalgorithmen minimiert wird. Natürlich können viele Algorithmen für eine solche Minimierung verwendet werden. Im obigen Text wurde ein einfaches rekursives Schema beschrieben, um die Grundidee bei Verwendung eines Priors zu beschreiben. Ein effektiverer Algorithmus wäre auch die Einschließung der statistischen Eigenschaften der Parameterschätzungen, wie ihrer Kovarianzmatrix, um die Such-(Aktualisierungs-)Richtung zu verfeinern. Anders ausgedrückt ist es meistens nicht optimal, von dem Parameterzustandsvektor X(k – 1) direkt in die Richtung auf Y(k) zu gehen, siehe beispielsweise S.M. Kay, „Fundamentals of Statistical Signal Processing, Estimation Theory", Prentice Hall Signal Processing Series, 1998.
ZUSAMMENFASSUNG
Verfahren zur Steuerung einer Verbrennungsmaschine umfassend einen Motor, mindestens einen Sensor und mindestens eine Motorsteuereinheit (200), die zur Steuerung des Motors (100) durch Verwendung von Echtzeitsensordaten S(k) angeordnet ist, wobei ein Prior (P₁(k, j; z), P₂(k; X, Y)) zur Ableitung mindestens einer Verbrennungsparameterschätzung (X(k)) und/oder mindestens einer Verbrennungsparametermessung (Y(k)) aus den Echtzeitsensordaten (S(k)) verwendet wird und die mindestens eine Verbrennungsparameterschätzung (X(k)) und/oder die mindestens eine Verbrennungsparametermessung (Y(k)) zur Ausführung der Motorsteuerung verwendet wird.

Claims

Verfahren zur Steuerung einer Verbrennungsmaschine umfassend einen Motor, mindestens einen Sensor und mindestens eine Motorsteuereinheit (200), die zur Steuerung des Motors (100) durch Verwendung von Echtzeitsensordaten S(k) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Prior (P₁(k, j ; z), P₂(k; X, Y)) zur Ableitung mindestens einer Verbrennungsparameterschätzung (X(k)) und/oder mindestens einer Verbrennungsparametermessung (Y(k)) aus den Echtzeitsensordaten (S(k)) verwendet wird und dass die mindestens eine Verbrennungsparameterschätzung (X(k)) und/oder die mindestens eine Verbrennungsparametermessung (Y(k)) zur Ausführung der Motorsteuerung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Prior (P₁(k, j; z), P₂(k; X, Y)) mindestens zum Teil in Form einer Nachschlagtabelle vorliegt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Prior (P₁(k, j; z), P₂(k; X, Y)) mindestens zum Teil eine lineare oder nicht-lineare Transformation der Messdaten ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem einzelnen Verbrennungszyklus (k) ein Prior (P₁(k, j; z) verwendet wird, um einen Verbrennungsparameterkandidaten aus einer Gruppe von Kandidaten (z(k, j, 1) ... z(k, j, N)) als die Messung (y(k, j)) des Verbrennungsparameters (v(k, j)) auszuwählen.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kandidat mit dem geringsten Risiko als die Verbrennungsparametermessung (y(k, j)) gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsparameterschätzungen (X(k – 1)) aus vorherigen Verbrennungszyklen, Echtzeitsensordaten (S(k)) und Verbrennungsparametermessungen (Y(k)) und ein Prior (P₂(k; X, Y)) verwendet werden, um eine Verbrennungsparameterschätzung (X(k)) des aktuellen Verbrennungszyklus zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsparameterschätzung (X(k)) des aktuellen Verbrennungszyklus unter Verwendung einer Risikofunktion basierend auf einem Prior (P₂(k; X, Y)) und den Verbrennungsparameterschätzungen (X(k – 1)) aus vorherigen Verbrennungszyklen und den Verbrennungsparametermessungen (Y(k)) des aktuellen Zyklus abgeleitet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Prior zumindest zum Teil von der Verbrennungstheorie abgeleitet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Prior zumindest zum Teil von praktischen Erfahrungen in einem Modellmotor abgeleitet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Prior zumindest zum Teil durch Analysieren der Leistung des Motors während des Betriebs des Motors aktualisiert wird.