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WO1998037321A9 - Verfahren zur gemischsteuerung bei einem verbrennungsmotor sowie vorrichtung zu dessen durchführung - Google Patents

Verfahren zur gemischsteuerung bei einem verbrennungsmotor sowie vorrichtung zu dessen durchführung

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Publication number
WO1998037321A9
WO1998037321A9 PCT/EP1998/001001 EP9801001W WO9837321A9 WO 1998037321 A9 WO1998037321 A9 WO 1998037321A9 EP 9801001 W EP9801001 W EP 9801001W WO 9837321 A9 WO9837321 A9 WO 9837321A9
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WO
WIPO (PCT)
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input
internal combustion
combustion engine
variable
fuel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
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PCT/EP1998/001001
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English (en)
French (fr)
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WO1998037321A1 (de
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Publication date
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Application filed filed Critical
Priority to EP98913572A priority Critical patent/EP0966600B1/de
Priority to DE59808282T priority patent/DE59808282D1/de
Publication of WO1998037321A1 publication Critical patent/WO1998037321A1/de
Publication of WO1998037321A9 publication Critical patent/WO1998037321A9/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to a method for mixture control in an internal combustion engine and to a device for carrying it out
  • the mixture control not only plays an important role in the operating behavior of an internal combustion engine, but is crucial for the achievement of lower emissions of harmful exhaust gases So überbowt the usual in gasoline engines
  • the mixture is generally adjusted by pilot control and superimposed control.
  • the remaining oxygen content in the exhaust gas is measured via a lambda probe arranged in the exhaust gas flow.
  • a deviation from ⁇ -1 results in a greater or lesser residual oxygen content.
  • the lambda probe generates a corresponding output signal.
  • the characteristic maps are determined by the engine manufacturer in a comprehensive test on test states stored in the map to compensate for the series deviation of the decisive for the combustion engine parameters
  • the mixture control uses the value specified in the map value for the injection due to the several working cycles amounting dead time (namely until a certain injection quantity in the exhaust gas at the location of the lambda probe noticeable), it is not possible for this regulation to maintain the desired mixing ratio after load or speed changes. In practice, this is the reason for acceleration and deceleration phases the lambda control is completely inactivated, the injection quantity is then controlled only with the aid of the characteristic map. In dynamic driving, therefore, there are considerable deviations from the lambda nominal value, which leads to correspondingly high pollutant emissions. Strict exhaust gas regulations can not be met or only with difficulty
  • the present invention teaches a novel Artificial Intelligence method that provides a "direct" approach to regulation by providing the method
  • Tax law "learns"
  • the invention has the object to provide a method with which the above disadvantages are avoided or at least reduced, so that even strict emission standards can be met. This also includes the provision of a corresponding device
  • the term "measuring” is understood in a broad sense, which includes the actual physical measurement and, if necessary, the derivation of a variable thereof.
  • the measured variable can therefore be an immediately measured magnitude or a quantity derived therefrom.
  • the measured value sensor for the actual quantity can be a lambda probe , which emits a signal corresponding to the residual oxygen content of the exhaust gas.
  • “measuring” can, in addition to obtaining this signal, also determine the residual oxygen content and, if appropriate, determine the Lambda values include
  • the mixture quantity of interest ia is the mixture ratio (ie the lambda value) It is possible to directly measure a mixture size or make a measurement of an exhaust gas quantity that allows a conclusion on the mixture size of interest (eg the lambda value)
  • This mixture ratio ⁇ is defined as the ratio of air mass ( m ac i) and fuel mass (m fcyl ) in the engine cylinder (combustion chamber),
  • the task of the engine control system is therefore to determine the mixture ratio as a function of
  • the direct injection is known for diesel engines This also includes diesel engines with vortex or vortex chamber, if they are effectively part of the combustion chamber.
  • Direct fuel injection for gasoline engines was already mass production more than 50 years ago, Daimler Benz military aircraft engines were with a mechanical Equipped with direct injection After the Second World War mechanical direct injection was used in the Mercedes 300 Sports Car and Lloyd small car, but in the end the mechanical outlay was unprofitable In view of increasing environmental protection requirements, such engines, which are expected to generate low fuel consumption, are up to date again
  • the mixture ratio ⁇ in the piston internal combustion engine is determined by the air and the fuel mass in the cylinder Therefore, consideration of the mixture formation is favorable as the intersection of two paths, the air and the fuel path
  • the intake behavior, the so-called air path to be described The engine sucks in open intake valves and running down the piston fresh air from the intake manifold.
  • the so-called choked-flow effect the inflow velocity of the air through the intake valves into the cylinders can reach maximum speed of sound.
  • the cylinder thus contains less air mass than would be possible according to its volume in the thermodynamic Saugrohrschreib.
  • the suction behavior of the engine can be described mathematically as a pump with non-linear efficiency, the air mass (m t ) that has entered the cylinder per intake stroke results
  • T m temperature of the air mass
  • p m pressure of the air mass
  • V D stroke volume of a cylinder
  • volumemetric efficiency ⁇ vol is non-linearly dependent on the intake manifold pressure and the speed of the engine (which determines the duration of the intake stroke) in engines with throttle valve (gasoline engine, conventional, suction or turbo), ie
  • the load control happens z B on the duty cycle a a of the intake valve, so the volumetric efficiency is determined by just this duty cycle and the speed, ie
  • the air mass in the cylinder after the intake stroke is also determined by the pressure and the temperature in the intake manifold. If the engine is not equipped with a throttle, these thermodynamic conditions correspond to those of the environment, it can be assumed that these are only slow vary, with an adaptation can be dispensed with the measurement of both large If the internal combustion engine, however throttled operated, both large variables are rapidly variable, then z B also pressure and possibly temperature in the intake manifold can be measured to determine the air mass in the cylinder the air mass sucked into the combustion chamber per working cycle thus results in the non-linear dependency
  • Camshaft Steuronne also occurs the dependence of the volumetric efficiency of these control variables
  • the mixture ratio (the air ratio ⁇ ) is thus determined to be
  • Fig. L this relationship is exemplified for a piston internal combustion engine with conventional intake valve control, and although Fig. 1 shows a "Signalflußplan" for the formation of the mixture ratio in direct injection piston internal combustion engines with conventional intake valve control
  • p m «p 0 (/? 0 ambient pressure) or for a throttled Otto engine p m ⁇ p 0
  • the intake manifold pressure may also exceed the ambient air pressure.
  • the volumetric efficiency z B depends on the duty cycle a a and the engine speed n can then be done by varying the duty cycle, the engine sucks unthrottled
  • the Gemischverhaltnis is then formed, for example, according to the illustration of Figure 2, which shows a "Signalflußplan" for the formation of the mixture ratio in direct injection internal combustion piston engine with camshaft inlet valve control
  • Both and NL j are here static (possibly time-variant) nonlinearities and determinable only by a complex calibration
  • the mixture ratio can be measured, novel methods are based on the interpretation of the ionization current in the electric spark ignition (gasoline engine), but conventionally, the measurement by means of faster switching Lambda probe
  • mapping given for inventive methods is from the mass air mass (input size) to the size of the fuel
  • input size the mass air mass
  • direct-injection engines the method according to the invention can also be applied to non-direct-injection engines which have a so-called "direct injection” engine. Have fuel storage effect.
  • mapping is not - as in the prior art - mediated by a control, but by a learning control
  • the learning can be done during operation, in which the various occurring in practice operating points (such may, for The method according to the invention is carried out in each relevant, ie achievable, operating point. After all the operating points have been run through several times-which is generally achieved relatively quickly in normal operation-the overall figure for all possible values is .PHI Input size learned
  • the controller then delivers instantaneously - ie without any control delay - the correct value of the output variable with high accuracy, even after a change of the operating point.
  • the learning process continues to be carried out in order to enable an ongoing adaptation to disturbance variables These may be, for example, wear-related changes, changes in the intake air temperature, the coolant water temperature, the external air pressure, the oxygen content of the air, etc.
  • the inventive method is able to ensure the start of new operating points without any ⁇ -deviation after learning the image conventional control approaches always occurs in contrast to a control difference, which is then integrated, for example, by an integrating portion in the controller as long as a control until the difference has become zero
  • the invention thus has the following advantages. Due to the self-adaptation of the image information, the accuracy requirements with which the image information for the image is reduced are reduced This reduces the effort for the development of a motor control and series development considerably, the control method according to the invention is robust with respect to series variations and time-varying disturbances, the desired lambda value is not only in steady-state operation, but also after a change of operating state (rotational speed). and / or load changes of
  • the invention thus contributes to the protection of the environment and the careful use of limited resources
  • the invention can also be used in the course of a fault diagnosis during operation. If the degree of adaptation required exceeds that of conventional series scattering and interference, let it be concluded that the condition is inaccurate, such as inadmissibly high wear or a defect due to appropriate evaluation of the degree of adaptation , for example, by a vehicle diagnostic system, engine failure or partial failure early -i ⁇ g recognize during operation
  • the method can be carried out such that one or more of the method steps a) -f) are carried out averaged over several cycles or cycles of a cylinder.
  • the method is in time with the Working cycles of the individual cylinders carried out (claim 2), ie, the sequence of process steps a) -f) is carried out once in the context of a single stroke of a single cylinder
  • the measurement in step a) takes place during the intake stroke of a cylinder in step b )
  • the amount of fuel to be supplied on the basis of this measurement (and possibly previous measurements, more details below) is determined
  • the supply of fuel in Schntt c) is then z B in the Immediately following compression stroke of the same cylinder, ie in the same cycle as step
  • the most common gasoline engine is a throttled engine, which is usually controlled by adjusting a throttle valve disposed in front of a suction pipe in such a motor, the input size or - for several input variables - one of the input variables advantageously the pressure in the intake manifold (claim 3) determines this pressure
  • the cylinder filling may be an engine with or without turbocharging.
  • the pressure in the intake manifold may be temporarily or permanently above atmospheric pressure
  • the intake system is designed to adapt the dynamic charging various Betnebsbedmgonne (see Automotive Handbook, Bosch, 1991, S 373, "switching intake systems")
  • the effective Saugrohrlange can be adjusted to use acoustic phenomena to increase the filling (keyword resonance charging)
  • z B the effective Saugrohrlange
  • the input size or one of the input variables claim 4
  • valve timing parameters eg Camshaft rotation and / or axial displacement
  • input size or one of the input variables claim 5
  • the duty cycle and / or the closing and / or opening time of the intake valve is an input size or one of the input variables (claim 6).
  • the duty cycle is related to the duration of the intake cycle or the total cycle Of ⁇ hungsdauer
  • the inventive method is suitable with a simple supplement for the latter Betneb260, and although in the target mixture ratio the role of an input variable is assigned (claim 8) While in an Otto engine, the input large space z B is two-dimensional (it is clamped about by intake manifold pressure and speed), comes in this embodiment for a diesel engine as For example, third input variable adds the desired mixture ratio, so that here a three-dimensional input large space is clamped (for example by intake manifold pressure, rotational speed and target mixture ratio).
  • the fuel supply by injecting
  • the output quantity controlling the amount of fuel to be supplied then one or more of the following Great Einspntzdauer, Tastverhaltnis Einspritzventiloffhung, injection pressure, degree of opening of the injection valve (claim 9)
  • the duty cycle is also the Of ⁇ hungsdauer related to the Duration of a work cycle or a working cycle
  • the degree of opening of the Einspntzventils can be controlled z B on the stroke of the valve needle
  • the fuel injection is not carried out directly in the cylinder, but in the suction pipe upstream them
  • the fuel wets here first the suction tube wall (so-called wall-wetting effect) and then required for the transition to the gaseous phase a certain time.
  • the method according to the invention can also be used advantageously in internal combustion engines with a fuel storage effect.
  • the amount of fuel injected into a cylinder at a particular power stroke generally depends on the quantity of fuel injected during preceding cycles.
  • large quantities of one or more preceding power strokes are also possible
  • the determination of the output variable (s) in step b) may be involved. This may be, for example, the fuel quantities injected in these preceding cycles, which still have an effect in the current cycle. Their consideration allows a very precise control of the injection rate in the current cycle Kraftstof ⁇ menge
  • the stored image information is in the form of a map containing the output size directly or indirectly.
  • a map is obtained, for example, by discretizing the (generally multi-dimensional) input size space and providing each input size cell formed by the discretization an output size Assignment of several output variables
  • the discretization of the input space does not have to be regular, likewise the size of the input cells must not be constant. Learning takes place in such a way that in step f) the stored values of one or more adjacent input cells corresponding to a detected deviation be adjusted that a smaller deviation occurs in a future operation in the same input large cell
  • mapping of the input size / s to the output size / s and the adaptation of the stored image information by a neural network algorithm (claim 14). Due to the parallelization of the data processing in so-called neurons forming the network, the use of a neural network - Algorithm the calculation time of the output size based on the stored image information compared to other interpolation methods (eg splines, linear or polynomial interpolation) significantly shortened using matched hardware While using known interpolation already by selecting the interpolation (possibly nonexistent Given that prior knowledge of the relationship to be approximated is assumed, a neural network can do without any prior knowledge. In particular, neural networks are suitable for the present adaptive method due to their evaluation and adaptation algorithm can be used very advantageously
  • a neural network NN is set so as to map the control path of the air path (eg, intake manifold pressure) to the control path of the fuel path so as to achieve a desired mixture ratio.
  • the control path of the air path is also considered from a historical point of view considered the control size, with which the driver affects the power output of the internal combustion engine
  • the adaptive neural network NN is intended depending on the driver-influenced control size for the air path and possibly from Engine operating state (eg speed) the control size, here z B ⁇ y for the
  • Output fuel path The output of the neural network thus corresponds to the duty cycle of the injection valves a f , the input space of the neural network NN consists in this example of intake manifold pressure p m and engine speed n, so we write
  • the aim of the control is to have a desired air-fuel ratio for each operating point
  • the output quantity is advantageous in this case by linking a the stored mapping information representing Stutz value vector and one of the / the A large gear ⁇ / n dependent activation vector formed (claim 15)
  • This linkage is preferably linear, and has in particular the form of a dot product or - in the case of multidimensional output size - of a vector Matnx product (claim 16). According to the example above, one then obtains the control quantity a f
  • the activation vector is normalized and depends only on the distance of the input size / s to the support points on which the vector representation is based (claim 17).
  • the standardization condition is z B
  • the dependence of the activation vector A only on the distance of the input variable (s) to the support points can be expressed by the fact that its components A t depend only on a variable which corresponds to the distance to the component belonging to the considered support point
  • ⁇ t are the bottlenecks, ie the locations of the neurons in the input space
  • mapping of the input variable (s) to the output variable (s) is substantially local (claim 18). This means that for a given value of the input variable (s) substantially only the truncation value e contribute to the mapping to the output size (s) immediately adjacent to the input size (s). This is advantageously accomplished by having only the n component (s) of the activation vector obtains appreciably large values at close range to the input / s lie / lie, while components are negligibly small or disappear at a greater distance (claim 19)
  • the components of the activation vector depend on the distance of the input variable (s) to the associated nozzle location according to a center function (claim 20), examples of advantageous center functions
  • the "range” of learning does not have to match that of the figure.
  • both ranges are chosen to be substantially the same, ie the adaptation of the image information takes place essentially in the same range of the distance from a deviation point, which is also reflected in the image of a is included at this point input size to the output size (claim 21)
  • the adaptation of the image information is carried out substantially locally to the deviation point (claim 22). This is let through, for example
  • ⁇ is a trimming value correction vector.
  • both the adaptation and the image occur locally and with the same range
  • the adaptation of the image information is preferably carried out by adding to the bleed value vector a bleed correction vector which is proportional to a combination of the deviation value with the activation vector.
  • the linkage is in particular the product of the deviation value with the activation vector Adaptation eg according to
  • the factor ⁇ in this equation represents the learning step size.
  • the large e is the measured mixture error at the operating point that corresponds to
  • Convergence is the convergence against a global minimum of the distance between ⁇ and ⁇ thus understood in all operating points approached for learning (not just convergence against a local minimum). Convergence then means that the learning process can only be completed when the trimming value vector opposes the Converged Only Possible, But Unknown Trimming Value Vector Reference is made to the following description of a proof of stability and convergence of a preferred law of adaptation.
  • a device for controlling mixture in an internal combustion engine comprising: a) at least one device for measuring at least one quantity with which the air mass entering a combustion chamber of the internal combustion engine is related (so-called input variable b) at least one adjusting device for supplying fuel, c) at least one device for measuring a quantity, which carries information about the resulting mixture or its combustion (so-called actual size); d) at least one memory for receiving the variable
  • Fig. 1 is a signal flow diagram for the formation of the Gemischverhaltnisses in a direct-injection piston internal combustion engine with conventional intake control;
  • FIG. 2 is a signal flow chart corresponding to FIG. 1, but for an unthrottled internal combustion engine with freely actuable intake valves,
  • FIG. 3 is a schematic representation of a direct injection gasoline engine with conventional intake valve control
  • FIG. 4 is a signal flow diagram corresponding to FIG. 1, but showing a neural network algorithm
  • 5 shows a so-called parallel representation of a neural network algorithm
  • FIG. 6 shows a signal flow diagram of a neural network algorithm with an input dimension
  • FIG. 7 shows diagrams representing the network output as a function of a one-dimensional input value, for illustrating the locality of the sample value adaptation
  • FIG. 8 shows an illustration of the interpolation and extrapolation behavior of a neural network algorithm
  • FIG. 10 is an illustration of an exemplary non-linearity for the air path
  • FIG. 11 is a fuel path diagram corresponding to FIG. 10
  • FIG. 12 is a graph of the time course of the output to start 13 is a diagram according to FIG. 12, but in the course of learning,
  • FIG. 14 is a diagram according to FIG. 12, but after the learning process is almost completed.
  • the question is whether learning always leads to the correct result without wrong paths, a mathematical proof of stability and convergence should be feasible.
  • the exemplary procedure to be described below becomes a special neural network
  • the pulse duty cycle of the injection by direct injection (solenoid) valves as a control size is expediently the neural network next fixed stationary prior knowledge recognized as a correction element, which is adopted online so that always the desired Gemischverhaltnis is adapted.
  • the load control in this internal combustion engine type is done via the position angle of the throttle, the driver controls the air mass flow m at in the intake manifold with open intake valves of the cylinder sucks during the downward movement of the piston in the intake stroke the air mass flow m m until after closing the fresh air mass m, in the cylinder is available for combustion
  • the fresh air mass in the cylinder depends decisively on the thermodynamic Saugrohrschreib pressure p m according to equation 2
  • the driver so determined via the throttle position, the air pressure in the intake manifold and thus indirectly the load in the cylinder
  • the engine speed determines the time available for intake, so that a rule of thumb is that at lower engine speed, more fresh air can be sucked in the same thermodynamic state as in the intake manifold
  • suctioned air mass m in this example depends continuously nonlinear from the intake manifold pressure and speed, with variable Ansauggeomtrie also of the control angle or the adjustable intake camshaft Mathematically we write so
  • mixture control now consists in setting up a neural network NN so that the control path of the air path (here the intake manifold pressure) is mapped to the control amount of the fuel path so as to achieve a desired mixture ratio
  • the adaptive neural network ⁇ W should output the control variable (here a ⁇ ) for the fuel path depending on the engine operating state (in this case the rotational speed) and the driver-influenced control variable for the air path (here the intake manifold pressure).
  • the output of the neural network thus corresponds here to the duty cycle of the injection valves a f , the input space of the neural network ⁇ W consists of
  • the aim of the control is to have a desired air-fuel ratio for each operating point
  • NL a (P m , n) ⁇ ⁇ NL j [NN (/, "" //), "] (28)
  • THANN ⁇ ⁇ NL j [NN (/, "" //), "]
  • Ae (p m , n) A ⁇ (p m , n) a f p m >)
  • the sign of the error change is thus always inverse to the sign of the error, in other words, if the error is less than zero (e ⁇ 0), its value increases ( ⁇ e> 0), its magnitude becomes smaller its value falls, so here too the amount is smaller Thus, the error can only converge to zero
  • DNA is explained in more detail as an example of a suitable adaptive neural network algorithm. It combines the advantages of normalized RBF networks with the advantage of computing time and memory optimization
  • the extrapolation behavior of the THEN at points at which no knowledge in the form of learned parameters is available, is defined as well as meaningful: the output of the network corresponds to a (weighted) average of the learned knowledge in the learned environment; the THEN differs significantly from the original RBF network.
  • the network consists of locally activated neurons, ie mainly the neurons in the immediate vicinity of the network input x are activated.
  • the structure of the THEN is subdividable into activation and weighting. This illustrates the signal flow diagram representation of a THEN shown in Figure 6 with an input dimension (ie, scalar input x), A (x), and 9; are
  • Equation 44 guarantees the boundedness of activation A x), which becomes normalization
  • This figure shows the interpolation and extrapolation behavior of THEN, the crosses denote the existing data points Im learned area, the curve approximated by the truncated values (crosses) agrees with the sine function to be learned beyond the learned range, the estimated value tends to increase with increasing distance from the nearest truncated value to the average of all existing knowledge (truncation values) to the stored knowledge (data points) will result in the mean of the existing knowledge, in the immediate vicinity of a data point determines this mainly the network output If the nozzle values in their weight ⁇ , defined as adjustable, then the simplest, shown in Figure 9 online structure to This representation applies to continuous-time systems The THEN shown can learn all static (without internal states such as memory) non-nite-data to group the activation method apart from a small approximation error due to the fi
  • the illustrated learning ability of the THEN is used to synthesize a fuel injection control law by making the error between the target mixture ratio and the actual mixture ratio zero during learning
  • FIGS. 12, 13 and 14 show the control curve according to equation 52 and the online learned from the network course of a / during the learning process These figures show the optimal course of the control size (dashed) and the network learned course (solid) Fig 12 shows the beginning of learning (which was started without any prior knowledge FIG. 13 shows the control curve course during learning, and in FIG. 14 the learning is virtually completed.
  • the mixture error, which rapidly becomes smaller during learning, is shown in FIG.
  • the figure shows the relationship to be learned and the learned context, in each case the control surface.
  • the target context only the area above the input space to be traversed during learning is represented by a simple

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gemischsteuerung bei einem Verbrennungsmotor, das folgende Schritte umfaßt: a) Messen wenigstens einer Größe, mit der die in einen Brennraum des Verbrennungsmotors gelangende Luftmasse im Zusammenhang steht (sog. Eingangsgröße); b) Ermitteln wenigstens einer die zuzuführende Kraftstoffmenge steuernde Ausgangsgröße in Abhängigkeit von wenigstens der/den in a) gemessenen Eingangsgröße/n, mit Hilfe gespeicherter Abbildungsinformation; c) Zuführen der Kraftstoffmenge entsprechend der Ausgangsgröße aus b); d) Messen einer Größe, die Information über das so entstandene Gemisch trägt (sog. Istgröße); e) Ermitteln einer Abweichung der in d) gemessenen Istgröße von einem Sollwert für diese Größe; f) Verändern der gespeicherten Abbildungsinformation in Abhängigkeit von der in e) ermittelten Abweichung für den in a) gemessenen Betriebszustand, so daß bei einem zukünftigen Durchlaufen der Schritte a) bis e) im gleichen Betriebszustand die Abweichung kleiner wird; und das damit einen Lernprozeß realisiert. Die Erfindung ist auch auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens gerichtet.

Description

Verfahren zur Gemischsteuerung bei einem Verbrennungsmotor sowie Vorrichtung zu dessen Durchführung.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gemischsteuerung bei einem Verbrennungsmotor sowie eine Vorrichtung zu dessen Durchfuhrung
Die Gemischsteuerung spielt nicht nur eine wichtige Rolle für das Betriebsverhalten eines Verbrennungsmotors, sondern ist entscheidend für die Erzielung geringerer Emissionen von schädlichen Abgasen So überfuhrt der bei Ottomotoren übliche
Dreiwegekatalysator nur dann zufriedenstellend schädliche Abgase (insbesondere Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und Stickoxide) in unschädliche Reaktionsprodukte, wenn der Sogenannte Lambdawert (λ) des Gemisches innerhalb sehr enger Grenzen bei λ=l (stochiometrisches Verhältnis) liegt Auch bei Dieselmotoren müssen zur Erzielung geringer Emissionen und hoher Wirkungsgrade bestimmte variable Gemischverhaltnisse sehr genau erreicht werden Angesichts der zunehmenden Probleme im Bereich der Luftreinhaltung und der immer strenger werdenden Emissionsschutzbestimmungen kommt der Gemischsteuerung daher eine wichtige Rolle zu
Bei den herkömmlichen Systemen erfolgt die Einstellung des Gemisches i a durch Vorsteuerung und eine überlagerte Regelung Und zwar wird z.B über eine im Abgasstrom angeordnete Lambdasonde der verbleibende Restsauerstoffgehalt im Abgas gemessen. Der gewünschte stόchiometrische Wert des Luft- Kraftstoffgemisches (d h λ=l) fuhrt zu einem bestimmten Restsauerstoffgehalt Beim Abweichen von λ-l zeigt sich demgegenüber ein größerer oder kleinerer Restsauerstoffgehalt Die Lambdasonde erzeugt ein entsprechendes Ausgangssignal. Diese dient als Istwert für einen PI-Regler, der die einzuspritzende Kraftstoffmenge dahingehend verändert, daß das stochiometrische oder -egf ein anderes gewünschtes Mischungsverhältnis eingehalten wird Um die bei einer Regelung im herkömmlichen Sinn unvermeidliche Regeldifferenz möglichst klein zu halten, erfolgt durch Verwendung von statischen Kennfeldern eine betriebspunktabhangige z B von der Drosselklappenstellung und der Drehzahl abhangige Vorsteuerung der Einspritzmenge Die Kennfelder werden beim Motorenhersteller in umfangreichen Test auf Prufstanden ermittelt Dabei werden Mittelwerte im Kennfeld abgelegt, um die Serienstreuung der für die Verbrennung ausschlaggebenden Motorparameter auszugleichen Solange noch kein Regelsignal vorliegt, verwendet die Gemischregelung den im Kennfeld vorgegebenen Wert für die Einspritzmenge Aufgrund der mehrere Arbeitstakte betragende Totzeit (bis sich nämlich eine bestimmte Einspritzmenge im Abgas am Ort der Lambdasonde bemerkbar macht) ist es dieser Regelung nicht möglich, nach Last- oder Drehzahlanderungen das gewünschte Mischungsverhältnis einzuhalten In der Praxis wird aus diesem Grund wahrend Beschleunigungs- und Abbremsphasen die Lambdaregelung ganzlich inaktiviert, die Einspritzmenge wird dann nur mit Hilfe des Kennfeldes gesteuert Bei dynamischem Fahrbetrieb kommt es daher insgesamt betrachtet zu erheblichen Abweichungen von dem Lambda-Sollwert, was zu entsprechend hohen Schadstoffemissionen führt Strenge Abgasbestimmungen lassen sich damit nicht oder nur unter Schwierigkeiten einhalten
In der Veröffentlichung U Lenz und D Schröder Artificial Intelligence for Combustion Engine Control, SAE-Paper Nr 960328, Februar 1996 wird ein Verfahren zur
Bestimmung der in einen Zylinder eingesaugten Luftmasse vorgeschlagen Die
Veröffentlichung U Lenz und D Schröder Identifikation isolierter Nichtlineaπtaten mit
Neuronalen Netzen, GMA Fachausschuß 1 4 „Theoretische Verfahren der
Regelungstechnik", Workshop in Interlaken, 1996, betrifft allgemein einen sogenannten Beobachteransatz auf der Grundlage eines Neuronalen Netzes In diesen
Veröffentlichungen wird ein Verfahren der kunstlichen Intelligenz, einsetzbar zur
Regelung von Verbrennungsmotoren, beschrieben, welches einen „indirekten"
Regelungsansatz durch Gewinnung von Wissen darstellt (Vorweg sei bemerkt, daß die vorliegende Erfindung im Gegensatz dazu ein neuartiges Verfahren der Kunstlichen Intelligenz lehrt, das einen „direkten" Regelungsansatz darstellt, indem das Verfahren das
Steuergesetz „lernt") Der Erfindung hegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem obige Nachteile vermieden oder zumindest gemindert werden, so daß auch strenge Abgasnormen erfüllt werden können Dazu gehört auch die Bereitstellung einer entsprechenden Vorrichtung
Diese Aufgabe wird gelost durch das Verfahren zur Gemischsteuerung gemäß Anspruch 1, welches folgende Schritte umfaßt a) Messen wenigstens einer Große, mit der die in einen Brennraum des Verbrennungsmotors gelangende Luftmasse im Zusammenhang steht (sog Eingangsgroße), b) Ermitteln wenigstens einer die zuzuführende Kraftstoffmenge steuernde Ausgangsgroße in Abhängigkeit von wenigstens der/den in a) gemessenen Eingangsgroße/n, mit Hilfe gespeicherter Abbildungsinformation, c) Zuführen der Kraftstoffmenge entsprechend der Ausgangsgroße aus b), d) Messen einer Große, die Information über das so entstandene Gemisch tragt (sog Istgroße), e) Ermitteln einer Abweichung der in d) gemessenen Istgroße von einem Sollwert für diese Große, f) Verandern der gespeicherten Abbildungsinformation in Abhängigkeit von der in e) ermittelten Abweichung für den in a) gemessenen Betπebszustand, so daß bei einem zukünftigen Durchlaufen der Schritte a) bis e) im gleichen Betπebszustand die Abweichung kleiner wird, und das damit einen Lernprozeß realisiert Dieser umfaßt sowohl die stationären als auch die dynamischen Betriebszustande
Hierbei wird der Begriff „Messen" in einem weiten Sinn verstanden, welcher die eigentliche physikalische Messung und ggf die Ableitung einer Große hieraus umfaßt Die Meßgroße kann also eine unmittelbar gemessene Große oder eine daraus abgeleitete Große sein Beispielsweise kann der Meßwertaufnehmer für die Istgroße eine Lambdasonde sein, welche ein dem Restsauerstoffgehalt des Abgases entsprechendes Signal abgibt Das „Messen" kann in diesem Beispiel zusatzlich zur Gewinnung dieses Signals auch die Ermittlung des Restsauerstoffgehalt und ggf daraus die Ermittlung des Lambdawerts umfassen Die i a interessierende Gemischgroße ist das Gemischverhaltnis (d h der Lambdawert) Es ist möglich, eine Gemischgroße direkt zu messen oder eine Messung einer Abgasgroße vorzunehmen, die einen Ruckschluß auf die interessierende Gemischgroße (z.B. der Lambdawert) erlauben
Kurz gesagt lehrt die Erfindung also eine lernende Gemischsteuerung, welche das tatsachlich enthaltene Gemischverhaltnis mit einem Sollwert vergleicht und bei einer Abweichung hiervon die gespeicherte Steuerinformation dahingehend adaptiert, daß bei zukünftigem Durchlaufen des gleichen oder ahnlichen Betriebspunkts eine geringere Abweichung erreicht wird Der erfindungsgemaße Lernprozeß erzeugt dabei eine genaue Abbildung der realen Verhaltnisse unter allen relevanten Betriebsbedingungen, aus der dann die Steuerinformation zur Vermeidung jeglicher Regeldifferenz abgeleitet wird, dies gilt insbesondere auch für den dynamischen Betrieb des Verbrennungsmotors Es geht also darum, z B. mit Methoden der Kunstlichen Intelligenz aus Fehlern zu lernen, um diese in Zukunft zu vermeiden
Im folgenden wird die Gemischbildung naher erläutert
Bei Kolbenmotoren werden Leistung, Verbrauch und Emission in entscheidendem Maße durch das Gemischverhaltnis (auch Luftzahl) λ beeinflußt Dieses Gemischverhaltnis λ ist definiert als Verhältnis von im Motorzylinder (Brennraum) befindlicher Luftmasse ( m ac i ) un<jl Kraftstoffmasse ( mfcyl ),
m λ = - acvl
0) KXmjcvl
wobei Kλ der Faktor zur stochiometrischen Verbrennung ist ( K, = 14 7 für Benzin)
Aufgabe der Motorsteuerung ist es daher, das Gemischverhaltnis in Abhängigkeit vom
Betriebspunkt nach obigen Kriterien optimal einzustellen Beispielsweise ist für einen emissionsoptimalen Betrieb eines Ottomotors mit Dreiwege-Katalysator eine Luftzahl von λ = 1,00 zu erzielen, was einem exakt stochiometrischen Gemischverhaltnis entspricht Dieselmotore dagegen werden mit variablem, magerem Gemisch betrieben, d h mit einem λ größer als eins, bei Vollast wird das Gemisch bis hinunter zur sogenannten Rauchgrenze bei etwa λ=l,5 angefettet
Die folgende Darstellung der Gemischbildung bezieht sich beispielhaft auf Verbrennungsmotoren mit Direkt einspritzung. Wie weiter unten ausgeführt wird, ist die Erfindung auch bei anderen Motoren vorteilhaft einsetzbar.
Seit geraumer Zeit ist die Direkteinspritzung bei Dieselmotoren bekannt Hierzu zählen auch Dieselmotoren mit Vor- oder Wirbelkammer, wenn diese effektiv Teil des Brennraums sind Benzindirekteinspritzung für Ottomotoren ist bereits vor mehr als 50 Jahren einmal in Serienfertigung gewesen, Daimler Benz Militar-Flugmotoren waren mit einer mechanischen Direkteinspritzung ausgerüstet Nach dem 2 Weltkrieg wurde eine mechanische Benzindirekteinspritzung im Mercedes-Seriensportwagen 300 SL und Lloyd-Kleinwagen eingesetzt, aber letztendlich war der mechanische Aufwand unrentabel Angesichts der steigenden Umweltschutzanforderungen, sind solchen Motoren, von denen man geringen Kraftstoffverbrauch erwartet, wieder aktuell
Der Vorteil der Direkteinspritzung liegt im Vergleich etwa zu einem konventionellen Saugrohrmotor in der exakten Zumessung des Kraftstoffs ohne den dynamischen Speichereffekt durch die dortige sog Wandfilmbildung
Es wird erwartet, daß der Wirkungsgrad von Ottomotoren im Teillastbereich neben der Benzindirekteinspritzung durch den Ersatz der Drosselklappe mittels unabhängig steuerbarer Einlaßventile (hydraulisch, elektromagnetisch) gesteigert werden kann
Nachfolgend wird die Gemischbildung beispielhaft bei verschiedenen direkteinspritzenden Kolben- Verbrennungs-motoren mathematisch beschrieben
Das Gemischverhaltnis λ beim Kolben-Verbrennungsmotor wird bestimmt durch die Luft- und die Kraftstoffmasse im Zylinder Gunstig ist daher die Betrachtung der Gemischbildung als Schnittpunkt zweier Pfade, des Luft- und des Kraftstoffpfades Zunächst soll das Ansaugverhalten, der sog. Luftpfad beschrieben werden: Der Motor saugt bei offenen Einlaßventilen und Hinunterlaufen des Kolbens Frischluft aus dem Saugrohr an. Infolge des sogenannten choked-flow-Effektes kann die Einströmgeschwindigkeit der Luft durch die Einlaßventile in die Zylinder maximal Schallgeschwindigkeit erreichen. Dadurch kann während der mit zunehmender Drehzahl kürzer werdenden Ansaugtakte kein vollständiger Druckausgleich zwischen Saugrohr und Zylinder erfolgen; der Zylinder enthält also weniger Luftmasse als bei dem thermodynamischen Saugrohrzustand entsprechend seinem Volumen möglich wäre. Vor diesem Hintergrund kann das Saugverhalten des Motors mathematisch als eine Pumpe mit nichtlinearem Wirkungsgrad beschrieben werden, die pro Ansaugtakt in den Zylinder gelangte Luftmasse (m t) ergibt sich zu
m * = JO ~r (2)
mit:
Tm = Temperatur der Luftmasse pm = Druck der Luftmasse
VD = Hubvolumen eines Zylinders
Der dimensionslose Wirkungsgrad "volumetrische Effizienz" ηvol ist bei Motoren mit Drosselklappe (Ottomotor, konventionell, Sauger oder Turbo) nichtlinear abhängig vom Saugrohrdruck und der Drehzahl des Motors (welche die Zeitdauer des Ansaugtaktes bestimmt), also
rjvol = ηvol(pm, n) oder ηvoι = τlVo,(P^ », <xa ) (4) oder lvoι = rlVo>(Pmι fl, a (5) falls der Motor mit einer um a s verstellbaren Nockenwelle oder mit einem Schaltsaugrohr (asr) (d h einem in der wirksamen Lange verstellbaren Saugrohr) ausgerüstet ist
Werden die Einlaßventile unabhängig von einer Nockenwelle angetrieben, das heißt, die Laststeuerung geschieht z B über das Tastverhaltnis aa der Einlaßventiloffnung, so wird die volumetrische Effizienz bestimmt durch eben dieses Tastverhaltnis und die Drehzahl, also
rjval = ηvol{aa, n) (6)
Nach Gleichung 2 wird die nach dem Ansaugtakt im Zylinder befindliche Luftmasse auch bestimmt durch den Druck und die Temperatur im Saugrohr Ist der Motor nicht mit einer Drosselklappe ausgerüstet, so entsprechen diese thermodynamischen Zustande denen der Umgebung, es kann davon ausgegangen werden, daß diese nur langsam schwanken, mit einer Adaption kann auf die Messung beider Großen verzichtet werden Wird der Verbrennungsmotor dagegen gedrosselt betrieben, so sind beide Großen schnell veränderlich, dann können z B außerdem Druck und ggf Temperatur im Saugrohr gemessen werden, um die Luftmasse in den Zylinder zu bestimmen Für die pro Arbeitsspiel in den Brennraum eingesaugte Luftmasse ergibt sich also die nichtlineare Abhängigkeit
Figure imgf000009_0001
mit der volumetrischen Effizienz in Abhängigkeit von Saugrohrdruck und Drehzahl oder Tastverhaltnis und Drehzahl Bei Schaltsaugrohren oder variabler
Nockenwellensteurungen tritt zudem noch die Abhängigkeit der volumetrischen Effizienz von diesen Steuergroßen auf
Im folgenden wird die Kraftstoffeinspritzung, der sog Kraftstoffpfad beschrieben Analog zum Ansaugverhalten kann die Kraftstoffeinspritzung mittels eines Wirkungsgrades beschrieben werden Würde ideales tragheitsloses Offnen und Schließen der Einspritzventile und stets gleichbleibender Benzinversorgungsdruck angenommen, so würde sich die pro Arbeitsspiel in den Zylinder eingespritzte Kraftstoffmasse beim Tastverhältnis af berechnen zu
™fcyl = K.af (8)
mit einer Konstanten K , bestimmt durch Ventiloffnungsquerschnitt und
Kraftstoffversorgungsdruck Durch die Dynamik der Ventilnadeln und einen geringen Versorgungsdruckverlust vor den Ventilen wird jedoch auch hier zur Beschreibung ein
Wirkungsgrad ηf eingeführt werden. Dieser Wirkungsgrad hangt nichtlinear von der
Öff ungsdauer ab, also vom Tastverhältnis der Einspritzventile y und der
Ansteuerfrequenz \ln. Damit ergibt sich die nichtlineare Abhängigkeit
NLf = mfcvl = η} (a} ,n)Ka , (9)
für die pro Arbeitsspiel in den Zylinder eingespritzte Kraftstoffmasse
Nach Gleichung 1 und den obenstehenden Ableitungen zum Luftpfad und dem Kraftstoffpfad ist das Gemischverhältnis (die Luftzahl λ) somit bestimmt zu
ι = m^ = J* - (io)
14.7m fcyl Kλ NLJ
In Fig. l wird dieser Zusammenhang beispielhaft für einen Kolben- Verbrennungsmotor mit konventioneller Einlaßventilsteuerung verdeutlicht Und zwar zeigt Fig 1 einen „Signalflußplan" für die Bildung des Gemischverhaltnis bei direkteinspritzenden Kolben- Verbrennungsmotoren mit konventioneller Einlaßventilsteuerung Die zusatzliche (dünn eingezeichnete) Abhängigkeit ηvol = /(., . , c ) gilt für Motoren mit variabler Nockenwelle (Otto- und Dieselmotoren) Dabei gilt beispielsweise für einen freisaugenden Dieselmotor pm « p0 (/?0 =Umgebungsdruck) oder für einen gedrosselten Ottomotor pm < p0 Bei Turbomotoren kann der Saugrohrdruck auch den Umgebungsluftdruck überschreiten Ist der betrachtete Kolben-Verbrennungsmotor statt mit einer konventionellenen Einlaßventilsteuerung mit unabhängig angetriebenen Einlaßventilen ausgerüstet, so hangt die volumetrische Effizienz z B vom Tastverhaltnis aa und der Drehzahl n ab Die Laststeuerung kann dann durch Variation des Tastverhältnisses geschehen, der Motor saugt ungedrosselt an Das Gemischverhaltnis wird dann z.B gemäß der Veranschaulichung der Fig 2 gebildet, die einen „Signalflußplan" für die Bildung des Gemischverhaltnis bei direkteinspritzenden Kolben- Verbrennungsmotoren mit nockenwellenloser Einlaßventilsteuerung zeigt
Beim Betrieb des Verbrennungsmotors besteht nun allgemein die Aufgabe, durch eine Steuerung bzw Regelung ein gewünschtes Gemischverhaltnis einzustellen Dieses Gemischverhaltnis ist bestimmt aus dem Quotient von Luft- und Kraftstoffmasse im Zylinder Sowohl Luft- als auch Kraftstoffmasse im Zylinder sind nicht meßbar und auch nicht ohne großen Aufwand (z B durch Kalibrierung, Zeitvarianz) durch Variation der Steuergroßen pm oder aa und af einstellbar Jedoch ist die angesaugte Luftmasse oder die eingespritzte Kraftstoffmasse - bei dem hier beispielhaft naher erläuterten
Direkteinspritzer - immer gleich für gleiche Steuergroßen bei gleichen
Motorbetriebspunkten, wenn die Zeitvarianz infolge von Alterung oder z B langsamen Zusetzen eines Ventils vernachlässigt wird Sowohl
Figure imgf000011_0001
und NLj sind also hier statische (ggf zeitvariante) Nichtlinearitaten und nur durch eine aufwendige Kalibrierung bestimmbar Das Gemischverhaltnis kann gemessen werden, neuartige Verfahren beruhen auf der Interpretation des Ionisierungstromes bei der elektrischen Funkenzundung (beim Ottomotor), konventionell jedoch ist die Messung mittels schneller schaltender Lambda-Sonde Der Messung mittels einer Lambda-Sonde (z B Breitband-Lambda-Sonde oder Sonde mit sprungformigem Verlauf der Sondenspannung bei λ=l) im Auspuffkrummer (sog Hosenrohr) geht jedoch eine durch das verbrennungsmotorische Arbeitsverfahren bedingte drehzahlabhangige Totzeit voraus
Aus den obigen Erläuterungen wird klar, daß die für erfindungsgemaße Verfahren vermittelte Abbildung von der Luftmassengroße (Eingangsgroße) auf die Kraftstoffrnengengroße (Ausgangsgroße) zwei nicht genau vorherbestimmbare nichtlineare Funktionen umfaßt, nämlich die des Luft- und des Kraftstofϊpfades Zur Vereinfachung wurde dabei beispielhaft auf direkteinspritzende Motoren Bezug genommen Wie unten naher erläutert wird, ist das erfindungsgemaße Verfahren auch auf nicht direkteinspritzende Motoren anwendbar, die einen sog. Kraftstoffspeichereffekt aufweisen.
Erfindungsgemäß wird die a priori nicht genau bekannte Abbildung nicht - wie im Stand der Technik - durch eine Regelung vermittelt, sondern durch eine lernende Steuerung Das Lernen kann im laufenden Betrieb erfolgen, bei dem die verschiedenen, in der Praxis vorkommenden Betriebspunkte (ein solcher kann z B ein Tupel eines Drehzahlwerts und eines Saugrohrdruckwerts sein) durchlaufen werden Das erfindungsgemaße Verfahren wird hierbei in jedem relevanten, d h erreichbaren Betriebspunkt durchgeführt Nachdem alle Betriebspunkte mehrmals durchlaufen worden sind - was im Normalbetrieb i a relativ schnell erzielt wird - ist die Gesamtabbildung für alle möglichen Werte der Eingangsgroße gelernt
Nach dem Anlernen liefert die Steuerung dann im laufenden Betrieb instantan - d h ohne jede Regelverzogerung - mit hoher Genauigkeit den richtigen Wert der Ausgangsgroße, und zwar auch nach einer Änderung des Betriebspunkts Vorteilhaft wird der Lernprozeß laufend weiter ausgeführt, um eine laufende Adaption an Störgrößen zu ermöglichen, welche nicht als Eingangsgrößen erfaßt werden Hierbei kann es sich zum Beispiel um verschleißbedingte Änderungen, Änderungen der Ansauglufttemperatur, der Kuhlwassertemperatur, des äußeren Luftdrucks, des Sauerstoffgehalts der Luft etc handeln
Das erfindungsgemäße Verfahren ist in der Lage, nach dem Lernen der Abbildung das Anfahren neuer Betriebspunkte ohne jegliche λ-Deviation sicherzustellen Bei herkömmlichen Regelungsansatzen tritt im Gegensatz dazu immer eine Regeldifferenz auf, die dann beispielsweise durch einen integrierenden Anteil im Regler solange zu einer Steuergroße aufintegriert wird, bis die Differenz zu null geworden ist
Die Erfindung hat damit folgende Vorteile aufgrund der Selbstadaption der Abbildungsinformation verringern sich die Anforderungen an die Genauigkeit, mit der die Abbildungsinformation für das Gemischsteuerungskennfeld vorbekannt sein muß Dies reduziert den Aufwand für die Entwicklung einer Motorsteuerung und die Serienentwicklung betrachtlich, das erfindungsgemaße Steuerverfahren ist robust gegenüber Serienstreuungen und zeitlich veränderlichen Störgrößen, der gewünschte Lambdawert wird nicht nur im stationären Betrieb, sondern auch nach einem Wechsel des Betriebszustands (Drehzahl- und/oder Lastanderungen des
Motors) ohne Zeitverzόgerung mit großer Genauigkeit eingehalten, insgesamt ergeben sich damit geringere Abgasemissionen sowie ein geringerer
Kraftstoffverbrauch
Die Erfindung leistet damit einen Beitrag zum Umweltschutz und zum schonenden Umgang mit den begrenzt vorhandenen Ressourcen
Die Erfindung laßt sich im übrigen auch im Rahmen einer Fehlerdiagnose im laufenden Betrieb einsetzen Falls namlich der Grad der erforderlichen Adaption den hinsichtlich üblicher Serienstreuung und Storgroßeneinflusse übersteigt, laßt sich hieraus auf Fehlerzustande schließen, etwa auf unzulässig hohen Verschleiß oder einen Defekt Durch entsprechende Auswertung des Adaptionsgrads, etwa durch ein Fahrzeugdiagnosesystem, lassen sich im laufenden Betrieb Motorschaden oder Teilausfalle frühzeit -iΌg erkennen
Grundsatzlich kann das Verfahren so durchgeführt werden, daß eine oder mehrere der Verfahrensschritte a)-f) über mehrere Arbeitsspiele oder Takte eines Zylinders gemittelt durchgeführt werden. Bei einem Mehrzylindermotor mit z B einem gemeinsamen Saugrohr und/oder einer gemeinsamen Lambdasonde tragen dann zu den in den Schntten a) und/oder d) gemessenen Großen aufgrund der Mittelung mehrere Zylinder und ggf mehrere Arbeitsspiele bei Bevorzugt wird das Verfahren jedoch im Takt mit den Arbeitsspielen der einzelnen Zylinder durchgeführt (Anspruch 2), d h , die Abfolge der Verfahrensschritte a)-f) wird im Rahmen eines einzelnen Arbeitstaktes eines einzelnen Zylinders jeweils einmal durchgeführt Demnach erfolgt beispielsweise die Messung im Schritt a) wahrend des Ansaugtaktes eines Zylinders Im Schritt b) wird die zuzuführende Kraftstoffmenge auf der Grundlage dieser Messung (und ggf vorausgehender Messungen, näheres hierzu folgt unten) ermittelt Das Zuführen der Kraftstoffmenge im Schntt c) erfolgt dann z B in dem unmittelbar folgenden Kompressionstakt desselben Zylinders, d h im selben Arbeitsspiel wie Schritt a) bezogen auf denselben Zylinder Die folgenden Schπtte d)-f) werden i a aufgrund von Totzeiteffekten verzögert durchgeführt, sie werden jedoch dem Arbeitsspiel der Schritte a)-c) und dem zugehongen Zylinder zugeordnet Grundsatzlich ist es möglich, das Verfahren nicht in jedem Arbeitsspiel, sondern z B nur in jedem zweiten, dritten, usw Spiel durchzuführen Besonders vorteilhaft ist jedoch eine Ausgestaltung, bei der das Verfahren mit den Schritten a)-f) bei jedem Arbeitsspiel jedes Zylinders einmal abgearbeitet wird
Der am meisten verbreitete Ottomotor ist ein gedrosselter Motor, welcher üblicherweise durch Verstellen einer vor einem Saugrohr angeordneten Drosselklappe gesteuert wird Bei einem solchen Motor ist die Eingangsgroße oder - bei mehreren Eingangsgroßen - eine der Eingangsgroßen vorteilhaft der Druck im Saugrohr (Anspruch 3) Dieser Druck bestimmt namlich wesentlich die Zylinderfüllung Es kann sich um einen Motor mit oder ohne Aufladung handeln Bei einem aufgeladenen Motor (z B einem Turbo- oder Kompressormotor) kann der Druck im Saugrohr zeitweise oder dauernd über dem Atmospharendruck liegen
Manche Motorkonstruktionen machen sich die Dynamik der angesaugten Luft für eine Aufladung zunutze Bei manchen dieser Konstruktionen ist das Ansaugsystem veränderlich ausgebildet, um die dynamische Aufladung verschiedenen Betnebsbedmgungen anpassen zu können (vgl Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, Bosch, 1991, S 373, "Schalt- Ansaugsysteme") Beispielsweise kann die wirksame Saugrohrlange verstellt werden, um akustische Phänomene zur Fullungssteigerung zu nutzen (Stichwort Resonanzaufladung) Bei diesen Systemen ist vorteilhaft eine die Momentanstellung des Ansaugsystems charakterisierende Große (z B die effektive Saugrohrlange), die Eingangsgroße bzw eine der Eingangsgroßen (Anspruch 4)
Eine Weiterbildung des Typs der gedrosselten Motoren weist eine Einlaßvenülsteuerung mit verstellbaren Ventilsteuerzeiten auf Beispielsweise kann durch eine Nockenwellenverstellung eine Verschiebung der Offhungs- und Schließzeit und/oder eine Veränderung der Ofϊhungsdauer erzielt werden (siehe Kraftfahrtechnisches Taschenbuch a a O S 370) In diesem Fall sind vorteilhaft ein oder mehrere Ventilsteuerzeitparameter (z B Nockenwellenverdrehung und/oder Axialverschiebung) die Eingangsgroße bzw eine der Eingangsgroßen (Anspruch 5)
Ein anderer Motortyp, der zukunftig große Bedeutung erlangen konnte, weist frei betatigbare (z B elektromagnetisch betatigbare) Einlaßventile auf Ein solcher Motor braucht keine Drosselung mehr aufzuweisen, er kann vor den Einlaßventilen mit Atmospharendruck beaufschlagt sein, da die Ventile aufgrund der freien Wählbarkeit der Offhungs- und Schließzeiten vollständig die Leistungssteuerung des Motors übernehmen können Vorteilhaft ist das Tastverhaltnis und/oder die Schließ- und/oder Öffnungszeit des Einlaßventils eine Eingangsgroße bzw eine der Eingangsgroßen (Anspruch 6) Das Tastverhaltnis ist die auf die Dauer des Einlaßtaktes oder des gesamten Arbeitsspiels bezogene Ofϊhungsdauer
Oben wurde bereits erläutert, daß die in den Zylinder gelangende Luftmasse von der Drehzahl des Verbrennungsmotors abhangt Vorteilhaft ist daher die Drehzahl eine Eingangsgroße bzw eine der Eingangsgroßen (Anspruch 7)
Wie oben bereits ausgeführt wurde, werden Otto-Motoren mit 3 -Wege-Katalysator üblicherweise mit einem konstanten Gemischverhaltnis von λ = 1 betπeben, Dieselmotoren hingegen mit einem variablen Soll-Gemischverhaltnis Das erfindungsgemaße Verfahren eignet sich mit einer einfachen Ergänzung auch für letztere Betnebsweise, und zwar dadurch, daß, dem Soll-Gemischverhaltnis die Rolle einer Eingangsgroße zugewiesen wird (Anspruch 8) Wahrend bei einem Otto-Motor der Eingangsgroßenraum z B zweidimensional ist (er wird etwa durch Saugrohrdruck und Drehzahl aufgespannt), kommt bei dieser Ausgestaltung für einem Dieselmotor als z B dritte Eingangsgroße das Soll-Gemischverhaltnis hinzu, so daß hier ein dreidimensionaler Eingangsgroßenraum aufgespannt wird (etwa durch Saugrohrdruck, Drehzahl und Soll-Gemischverhaltnis)
Bevorzugt erfolgt bei dem Verbrennungsmotor die Kraftstoffzuführ durch Einspritzen Vorteilhaft ist die die zuzuführende Kraftstoftmenge steuernde Ausgangsgroße dann eine oder mehrere der folgenden Großen Einspntzdauer, Tastverhaltnis der Einspritzventiloffhung, Einspritzdruck, Offhungsgrad des Einspritzventils (Anspruch 9) Mit dem Tastverhaltnis ist auch hier die Ofϊhungsdauer bezogen auf die Dauer eines Arbeitstakts oder eines Arbeitsspiels gemeint Der Offhungsgrad des Einspntzventils kann z B über den Hub der Ventilnadel gesteuert werden
Bei den heute am meisten verbreiteten Otto-Motoren erfolgt die Kraftstoffeinspritzung nicht direkt in die Zylinder, sondern in das ihnen vorgelagerte Saugrohr Der Kraftstoff benetzt hier zunächst die Saugrohrwand (sog. Wall-Wetting-Effect) und benotigt dann für den Übergang in die gasförmige Phase eine gewisse Zeit. Als Folge hiervon erreicht nur ein Teil der zu einem Arbeitstakt eingespritzten Kraftstofimenge in diesem Arbeitstakt den zugeordneten Zylinder Der übrige Teil wird erst später gasformig und wird daher bei spateren Arbeitstakten und - bei gemeinsamer Einspritzung für mehrere Zylinder - zum Teil in nicht zugeordneten Zylindern verbrannt Das erfindungsgemaße Verfahren ist besonders vorteilhaft bei einem Motor einsetzbar, der keinen derartigen Kraftstoffspeichereffekt aufweist da hier keine derartige Verzögerung berücksichtigt zu werden braucht (Anspruch 10) Insbesondere ist dies ein direkteinspritzender Motor Auch Motoren, bei denen die Einspritzung in eine Vor- oder Nebenkammer erfolgt, weisen keinen Kraftstoffspeichereffekt auf, sofern nach dem Verbrennungstakt praktisch kein Kraftstoff in der Vor- bzw Nebenkammer verbleibt
Das Fehlen eines Kraftstoffspeichereffekts erlaubt eine besonders einfache Ausgestaltung des
Verfahrens, indem die Ermittlung der Ausgangsgroße/n im Schritt b) nur auf Großen beruht, die zum aktuell durchgeführten Arbeitstakt gehören - also insbesondere auf dem Ergebnis der im unmittelbar vorausgegangenen Schritt a) erfolgten Eingangsgroßenmessung (Anspruch
H)
Das erfindungsgemäße Verfahren ist aber auch vorteilhaft bei Verbrennungsmotoren mit Kraftstoffspeichereffekt einsetzbar Die bei einem bestimmten Arbeitstakt in einen Zylinder gelangende Kraftstoörnenge hangt hier i a auch von der bei vorausgegangenen Takten eingespritzten Kraftstofimenge ab Vorzugsweise werden daher bei einem solchen Motor auch Großen aus einem oder mehreren vorhergehenden Arbeitstakten in die Ermittlung der Ausgangsgroße/n im Schritt b) einbezogen (Anspruch 12) Hierbei kann es sich z B um die in diesen vorhergehenden Takten eingespritzten KraftstoffiTiengen handeln, die sich im aktuellen Takt noch auswirken Ihre Berücksichtigung erlaubt eine sehr genauere Steuerung der im aktuellen Takt einzuspritzenden Kraftstofϊmenge Vorteilhaft hat die gespeicherte Abbildungsinformation die Form eines Kennfeldes, welches die Ausgangsgroße/n direkt oder indirekt enthalt (Anspruch 13) Ein Kennfeld erhalt man beispielsweise, indem man den (i a mehrdimensionalen) Eingangsgroßenraum diskretisiert und jeder durch die Diskretisierung gebildeten Eingangsgroßenzelle eine Ausgangsgroße oder - bei einer mehrdimensionalen Abbildung - mehrere Ausgangsgroßen zuordnet Die Diskretisierung des Eingangsraums muß dabei nicht regelmäßig erfolgen, ebenso muß die Große der Eingangsgroßenzellen nicht konstant sein Das Lernen erfolgt hierbei so, daß im Schritt f) die gespeicherten Werte einer oder mehrerer benachbarter Eingangsgroßenzellen entsprechend einer festgestellten Abweichung so verstellt werden, daß bei einem zukunftigen Betrieb in der gleichen Eingangsgroßenzelle eine kleinere Abweichung auftritt
Besonders bevorzugt erfolgt die Abbildung der Eingangsgroße/n auf die Ausgangsgroße/n sowie die Adaption der gespeicherten Abbildungsinformation durch einen Neuronales-Netz- Algorithmus (Anspruch 14) Infolge der Parallelisierung der Datenverarbeitung in sogenannten, das Netz bildenden Neuronen kann die Verwendung eines Neuronales-Netz- Algorithmus die Berechnungszeit der Ausgangsgroße auf Basis der gespeicherten Abbildungsinformation im Vergleich zu anderen Interpolationsverfahren (z B splines, lineare oder polynomiale Interpolation) bei Verwendung angepaßter hardware erheblich verkürzt werden Wahrend bei der Verwendung bekannter Interpolationsverfahren schon durch die Auswahl der Interpolation (eventuell gar nicht vorhandenes) Vorwissen über den zu approximierenden Zusammenhang angesetzt wird, kann ein Neuronales Netz ganzlich ohne diese Vorwissen auskommen Insbesondere sind Neuronale Netze durch ihren Auswerte- und Adaptionsalgorithmus für das vorliegende lernfahige Verfahren sehr vorteilhaft einsetzbar
Gemäß dieser bevorzugten Ausgestaltung wird also ein Neuronales Netz NN so angesetzt, daß die Steuergroße des Luftpfades (z B der Saugrohrdruck) auf die Steuergroße des Kraftstoffpfades solchermaßen abgebildet wird, um so ein gewünschtes Gemischverhaltnis zu erreichen Die Steuergroße des Luftpfades wird auch aus historischer Sicht als die Steuergroße betrachtet, mit der der Fahrer die Leistungsabgabe des Verbrennungsmotors beeinflußt Das lernfahige Neuronale Netz NN soll dabei in Abhängigkeit von der fahrerbeeinflußten Steuergroße für den Luftpfad und ggf vom Motorbetriebszustand (z B Drehzahl) die Steuergroße, hier z B αy für den
Kraftstoffpfad ausgeben Der Ausgang des Neuronalen Netzes entspricht also z B dem Tastverhaltnis der Einspritzventile af , der Eingangsraum des Neuronalen Netzes NN besteht in diesem Beispiel aus Saugrohrdruck pm und Motordrehzahl n, wir schreiben also
af = NN(pm,n) (11)
Das Ziel der Steuerung ist, für jeden Betriebspunkt ein gewünschtes Kraftstoff-Luft- Verhältnis mit
m λ acvl (12)
KXmj yl
zu erreichen Im weiteren vernachlässigen wir den konstanten Faktor KA Mit dem Neuronalen Netz NN als Steuerung nach at = et f (/>„,,//) = NN(pm,ή) kann vorstehende Gleichung also als
λ
Figure imgf000018_0001
geschrieben werden Soll ein bestimmtes Gemischverhaltnis λ oll erreicht werden, so muß im Neuronalen Netz NN eine Abbildung gelernt werden, so daß mac l = λ∞nmfcvl gilt, also
NLa (Pm,n) = λsollNLf [NN
Figure imgf000018_0002
(14)
Vorteilhaft wird hierbei die Ausgangsgroße durch Verknüpfung eines die abgespeicherte Abbildungsinformation repräsentierenden Stutzwertevektors und eines von der/den Ein¬ gangsgroße/n abhangigen Aktivierungsvektors gebildet (Anspruch 15) Diese Verknüpfung ist vorzugsweise linear, und hat insbesondere die Form eines Skalarprodukts oder - bei mehrdimensionaler Ausgangsgroße - eines Vektor-Matnx-Produkts (Anspruch 16) Gemäß obigem Bespiel erhalt man dann die Steuergroße af mit
af (Pm,n) = ® A(pm,tή , (15)
wobei Θ der Stutzwertevektor und A(pm,n) der Aktivierungsvektor ist
Es ist vorteilhaft, daß der Aktivierungsvektor normiert ist und nur vom Abstand der Eingangsgroße/n zu den Stutzstellen abhangt, die der Vektordarstellung zugrunde liegen (Anspruch 17) Die Normierungsbedingung lautet z B
A(x)τ \ = l , (16) d h die Summe aller Komponenten des Aktivierungsvektors ist stets gleich eins
Die Abhängigkeit des Aktivierungsvektors A nur vom Abstand der Eingangsgroße/n zu den Stutzstellen laßt sich dadurch ausdrucken, daß seine Komponenten At nur von einer Variablen abhangt, die dem Abstand zu der zur betrachteten Stutzstelle gehörenden Komponente entspricht
4 = 4 (4 ) (17)
mit den Abstanden
d, = || - , || (18)
wobei ςt die Stutzstellen, d h die Orte der Neuronen im Eingangsraum sind
Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei der die Abbildung der Eingangsgroße/n auf die Ausgangsgroße/n im wesentlichen lokal ist (Anspruch 18) Dies bedeutet, daß bei einem bestimmten Wert der Eingangsgroße/n im wesentlichen nur derjenige/diejenigen Stutzwert e zu der Abbildung auf die Ausgangsgroße/n beitragen, die in unmittelbarer Nachbarschaft zu der/den Eingangsgroße/n liegt/liegen Dies wird vorteilhaft dadurch realisiert, daß nur diejenige n Komponente/n des Aktivierungsvektors nennenswert große Werte erhalt/erhalten, die im geringen Abstand zu der/den Eingangsgroße/n liegt/liegen, wahrend Komponenten in größerem Abstand vernachlassigbar klein sind oder verschwinden (Anspruch 19)
Besonders vorteilhaft hangen die Komponenten des Aktivierungsvektors vom Abstand der Eingangsgroße/n zu der zugehörigen Stutzstelle gemäß einer Zentrumsfunktion ab (Anspruch 20) Beispiele für vorteilhafte Zentrumsfunktionen sind
~ -
A, ~ e σ ' oder A^ , wobei σ ein (ggf variabler) Breitenparameter ist l + σ - d;
Grundsatzlich braucht die "Reichweite" des Lernens nicht mit der derjenigen der Abbildung übereinstimmen So ist es z B möglich, den Lemvorgang lokal zu gestalten (d h bei einer Abweichung nur Stutzwertkomponenten in der Nahe der Abweichungsstelle zu adaptieren), hingegen die Abbildung nichtlokal durchzuführen (d h in die Abbildungsoperation auch Stutzwertkomponenten einzubeziehen, die weiter entfernt von dem abzubildenden Eingangswert liegen) Vorteilhaft werden jedoch beide Reichweiten im wesentlichen gleich gewählt, d h die Adaption der Abbildungsinformation erfolgt im wesentlichen in dem gleichen Bereich des Abstands von einer Abweichungsstelle, der auch in die Abbildung einer an dieser Stelle liegenden Eingangsgroße auf die Ausgangsgroße einbezogen wird (Anspruch 21)
Vorteilhaft erfolgt die Adaption der Abbildungsinformation im wesentlichen lokal zur Abweichungsstelle (Anspruch 22) Dies laßt sich z B durch
Δ —Θl ' Pm « « Δ —Θ (19)
ausdrucken, wobei ΔΘ ein Stutzwertekorrekturvektor ist Besonders vorteilhaft erfolgt sowohl die Adaption als auch die Abbildung lokal und mit gleicher Reichweite Genauer erfolgt die Adaption der Abbildungsinformation vorzugsweise so, daß zu dem Stutzwertevektor ein Stutzwertekorrekturvektor addiert wird, welcher einer Verknüpfung des Abweichungswerts mit dem Aktivierungsvektor proportional ist (Anspruch 23) Bei der Verknüpfung handelt es sich insbesondere um das Produkt des Abweichungswerts mit dem Aktivierungsvektor Die Adaption erfolgt z.B gemäß
Θ = ηe<J>m,r>)A(pm,n) (20)
Der Faktor η in dieser Gleichung repräsentiert die Lernschrittweite Die Große e ist der gemessene Gemischfehler im Betriebspunkt, der zu
Figure imgf000021_0001
als Abweichung vom hier als konstant angenommenen Sollwert definiert ist Bei Verwendung einer Breitband-lambdasonde kann auf die Große der Abweichung geschlossen werden, wahrend diese Information bei einer Lambda-Sonde mit sprungförmiger Kennlinie nur in Form einer Aussage „zu fett" oder „zu mager" vorliegt Bildlich gesprochen werden durch die Aktivierung (P„^ fl) die einzelnen Stutzwerte ausgesucht, welche nach der Beziehung
Qneu = Qalt + ^Q ^
adaptiert werden
Wird ein lernfahiges Verfahren wie hier Steuerung von Verbrennungsmotoren angewendet, so geschieht der Lernprozeß allein aus Sicherheits- und Akzeptanzgrunden vorzugsweise mit einem Adaptionsgesetz mit nachweisbarer Stabilität und Parameterkonvergenz (Anspruch 24) Unter "Konvergenz" wird hier die Konvergenz gegen ein globales Minimum des Abstandes zwischen λ und λsoιι in allen zum Lernen angefahrenen Betriebspunkten verstanden (nicht etwa nur Konvergenz gegen ein lokales Minimum) Konvergenz bedeutet dann, daß das Lemverfahren erst dann abgeschlossen sein kann, wenn der Stutzwertevektor gegen den einzig möglichen, aber unbekannten Stutzwertevektor konvergiert Es wird Bezug genommen auf die folgende Beschreibung eines Beweises für Stabilität und Konvergenz eines bevorzugten Adaptionsgesetzes.
Vorrichtungsmäßig wird die eingangs genannte Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Gemischsteuerung bei einem Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 24 gelost, die folgendes umfaßt: a) wenigstens eine Einrichtung zur Messung wenigstens einer Größe, mit der die in einen Brennraum des Verbrennungsmotors gelangende Luftmasse im Zusammenhang steht (sog Eingangsgroße), b) wenigstens eine Stelleinrichtung zum Zuführen von Kraftstoff, c) wenigstens eine Einrichtung zur Messung einer Große, die Information über das so entstandene Gemisch oder dessen Verbrennung tragt (sog Istgröße); d) wenigstens einen Speicher zur Aufnahme der veränderlichen
Abbildungsinformation; e) und einen zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1 programmierten und/oder fest verdrahteten Rechner
Bezüglich vorteilhafter Ausgestaltungen der Vorrichtung wird auf die obigen Ausführungen zum Verfahren verwiesen
Die Erfindung wird nun anhand von Ausfuhrungsbeispielen und der angefügten Zeichnung veranschaulicht. In der Zeichnung zeigen-
Fig. 1 einen Signalflußplan für die Bildung des Gemischverhaltnisses bei einem direkteinspritzenden Kolben-Verbrennungsmotor mit herkömmlicher Einlaßsteuerung;
Fig. 2 einen Signalflußplan entsprechend Fig. 1, jedoch für einen ungedrosselten Verbrennungsmotor mit frei betätigbaren Einlaßventilen,
Fig. 3 eine Schemadarstellung eines direkt einspritzenden Otto-Motors mit herkömmlicher Einlaßventilsteuerung, Fig 4 einen Signalflußplan entsprechend Fig 1, jedoch mit Darstellung eines Neuronales- Netz-Algorithmus; Fig 5 eine sog Parallel-Darstellung eines Neuronales-Netz-Algorithmus, Fig. 6 eine Signalflußplandarstellung eines Neuronales-Netz-Algorithmus mit einer Eingangsdimension,
Fig. 7 Diagramme, welche die Netzausgabe als Funktion eines eindimensionalen Eingangswerts darstellen, zur Veranschaulichung der Lokalitat der Stutzwertadaption, Fig 8 eine Veranschaulichung des Inter- und Extrapolationsverhalten eines Neuronales- Netz- Algorithmus,
Fig. 9 eine einfache Lernstruktur eines Neuronales-Netz-Algorithmus, Fig. 10 eine Darstellung einer beispielhaft angenommenen Nichtlinearitat für den Luftpfad, Fig. 11 ein Fig 10 entsprechende Darstellung für den Kraftstoffpfad, Fig. 12 ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs der Ausgangsgroße zum Beginn des Lernens, Fig. 13 ein Diagramm gemäß Fig. 12, jedoch im Verlauf des Lernens,
Fig 14 ein Diagramm gemäß Fig 12, jedoch nach nahezu abgeschlossenem Lernprozeß,
Fig. 15 ein Diagramm des Gemischfehlers im Verlauf des Lernprozesses, und
Fig 16 eine Gegenüberstellung des zu erlernenden und des erlernten Zusammenhangs
Wichtig bei der Anwendung von Ansätzen mit Lernprozeß ist der Sicherheitsgedanke, die Frage also, ob das Lernen stets ohne Irrwege zum richtigen Ergebnis führt, ein mathematischer Stabilitats- und Konvergenzbeweis sollte also führbar sein Bei dem im folgenden zu beschreibenden beispielhaften Vorgehen wird ein spezielles Neuronales Netz in Abhängigkeit bestimmter meßbarer Zustandsgroßen des Verbrennungsmotores und/oder des Fahrerwunsches das Tastverhaltnis der Einspritzung durch direkteinspritzende (Magnet-)Ventile als Steuergroße ausgeben Sinnvollerweise wird das Neuronale Netz neben stationär bestimmtem Vorwissen als Korrekturglied angesetzt, welches online so adoptiert wird, daß stets das gewünschte Gemischverhaltnis adaptiert wird.
Bezüglich der Bildung von Gemischverhaltnissen wird auf die Fig 1 und 2 und die dazugehörigen vorausgegangenen Ausführungen verwiesen Die nachfolgende Darstellung von Ausführungsbeispielen soll zunächst an einem direkteinspritzenden Ottomotor mit herkömmlicher Einlaßventilsteuerung mit festen Steuerzeiten nach Fig 3 erfolgen
Die Laststeuerung bei dieser Verbrennungsmotoren-Bauart geschieht über den Lagewinkel der Drosselklappe, der Fahrer steuert damit den Luftmassenstrom mat in das Saugrohr Bei geöffneten Einlaßventilen saugt der Zylinder wahrend der Abwärtsbewegung des Kolbens im Ansaugtakt den Luftmassenstrom mm an, bis nach dem Schließen die Frischluftmasse m , im Zylinder zur Verbrennung zur Verfügung steht Die Frischluftmasse im Zylinder hangt dabei entscheidend von dem thermodynamischen Saugrohrzustand Druck pm nach Gleichung 2 ab Letztendlich bestimmt der Fahrer also über die Drosselklappenlage den Luftdruck im Saugrohr und damit mittelbar die Last im Zylinder
Aus den obigen Ausführungen geht hervor, daß die nach dem Schließen der Einlaßventile im Brennraum befindliche Luftmasse aal nichtlinear abhangig von einerseits der
Motordrehzahl und andererseits dem Saugrohrdruck ist
Die Motordrehzahl bestimmt namlich die zum Ansaugen zur Verfügung stehende Zeitspanne, so daß als Faustregel gilt, daß bei niedrigerer Drehzahl mehr Frischluft gleichen thermodynamischen Zustandes wie im Saugrohr angesaugt werden kann
Durch das konstruktive Design der Ansaugkrummer und des Saugrohres wird dazu der Effekt erzielt, daß durch akustische Phaenomene (Interferenzen) in bestimmten Drehzahlbereichen eine höhere Füllung erreicht wird Dies wird bei
Verbrennungsmotoren mit variabler Saugrohrgeometrie zur Drehmomentensteigerung ausgenutzt
Bei schnellem Herablaufen des Kolbens bei geöffneten Einlaßventilen besteht im Inneren der Zylinder gegenüber dem Saugrohr ein großer Unterdaick, so daß der Zylinder aus dem Saugrohr ansaugt Nach der thermodynamischen Durchflußgleichung für kompressible Medien jedoch kann das durchströmende Medium keine höhere als die Schallgeschwindigkeit erreichen, so daß der Massenstrom durch das Einlaßventil für verschiedene Betriebsbereiche des Motors bei wachsendem Druckunterschied nicht mehr weiter ansteigen kann (Lavalverhältnis, choked-flow-Effekt)
Insgesamt hangt also die angesaugte Luftmasse m , bei diesem Beispiel stetig nichtlinear ab vom Saugrohrdruck und der Drehzahl, bei variabler Ansauggeomtrie zudem noch von deren Steuerwinkel oder dem der verstellbaren Einlaßnockenwelle Mathematisch schreiben wir also
"O = NLa {pm,n) (23)
Analoge Überlegungen lassen sich für die Kraftstoff-Direkteinspritzung anstellen Infolge der Massenträgheit der Ventilnadeln ergibt sich auch hier ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen eingespritzter Kraftstoffmasse und Tastverhaltnis zusammen mit der Tastfrequenz (reziprok der halben Drehzahl bei Viertakt-Motoren) Ein weiterer Effekt, der die eingespritzte Kraftstoffmasse nichtlinear beeinflusst, ist der Abfall des Kraftstoffversorgungsdruckes beim Offnen des Ventils, auch hierdurch entstehen im Kraftstoffversorgungssystem Druckschwingungen, welche das Einspritzverhalten drehzahlabhangig beeinflussen Insgesamt hangt die eingespritzte Kraftstoffmasse nach diesen Überlegungen statisch nichtlinear ab von der Ventiloffnungszeit und der Einspritzfrequenz (2/n)
Mathematisch schreiben wir also
m fM = NLJ (af ,n) (24)
Die Idee zur Gemischsteuerung besteht jetzt darin, ein Neuronales Netz NN so anzusetzen, daß die Steuergroße des Luftpfades (hier der Saugrohrdruck) auf die Steuergröße des Kraftstoffpfades solchermaßen abgebildet wird, um so ein gewünschtes Gemischverhaltnis zu erreichen Das lernfähige Neuronale Netz ΛW soll dabei in Abhängigkeit des Motorbetriebszustandes (hier die Drehzahl) und der fahrerbeeinflußten Steuergröße für den Luftpfad (hier der Saugrohrdruck) die Steuergröße (hier a} ) für den Kraftstoffpfad ausgeben.
Der Ausgang des Neuronalen Netzes entspricht also hier dem Tastverhältnis der Einspritzventile af , der Eingangsraum des Neuronalen Netzes ΛW besteht aus
Saugrohrdruck pm und Motordrehzahl n, wir schreiben also
af = NN(pn ?ή (25)
Das Ziel der Steuerung ist, für jeden Betriebspunkt ein gewünschtes Kraftstoff-Luft- Verhältnis mit
πι χ = — _____ , (26)
zu erreichen. Im weiteren vernachlässigen wir den konstanten Faktor Kλ Mit dem ΛW als Steuerung, nach af - af (pm t) - NN(pm ή kann vorstehende Gleichung also als
Figure imgf000026_0001
geschrieben werden. Soll ein bestimmtes Gemischverhaltnis λ oll erreicht werden, so muß im NN eine Abbildung gelernt werden, so daß mMl - λ Mm}cvl gilt, also
NLa (Pm,n) = λ^NLj [NN (/,„„//),„] (28) Beispielhaft für eine Vielzahl lernfähiger Neuronaler Netzarchitekturen verwenden wir ab hier das sogenannte DANN, welches den gewählten Ansatz besonders plausibel macht; außerdem gestattet dieser Algorithmus eine einfache Beweisführung für Stabilität und Parameterkonvergenz ebenso wie eine sinnvolle Interpretierbarkeit des gelernten Wissens. Das DANN ist eine besonders rechenzeitoptimale Ausgestaltung eines sogenannten RBF-Netzes mit lokaler Stützwertewirkung. Eine eingehende Beschreibung des DANN folgt unten.
Wir setzen also an
af ( >m,n) = ®.T ά(pm>") (29)
wobei die Stützwerte Θ des Neuronalen Netzes so adaptiert werden müssen, um beide Nichtlinearitäten in Gleichung 28 im Betriebspunkt (p„, ή auszugleichen.
Dies soll mit dem Adaptionsansatz
® = ψ(Pm >)Ä(pn„») (30)
mit garantierter Stabilität erfolgen. Der Faktor η in dieser Gleichung repräsentiert die
Lernschrittweite. Bildlich gesprochen werden durch die Aktivierung A(pm,n) die einzelnen Stützwerte ausgesucht, welche nach der Beziehung
Θ = Θ? + ΔΘ, (31)
adaptiert werden. Nun wirken die Stützwerte beim DANN hauptsächlich lokal, ohne großen Fehler können wir
ΔΘ - ηe(pm ,n)A(pm,n) = ΔΘ| n = ψ (32) annehmen (wobei die Größe rechts neben dem Entsprichtzeichen die Kompoente des Θ - Vektors ist, die der Stelle (pm,n) nächsten liegt).
Wegen des taktdiskreten Arbeitsverfahren des Kolben- Verbrennungsmotors ersetzen wir in dieser Ableitung die kontinuierliche Ableitung (nach der Zeit) durch die Notation mit Deltagrößen, was einer Ableitung nach den Arbeitstakten des Verbrennungsmotors entsprechen soll.
Um den Stabilitätsbeweis mathematisch zu fuhren, untersuchen wir die Auswirkung dieser lokalen Adaption nach Gleichung 32 auf den Gemischfehler e im Betriebspunkt, der zu
e(Pm,n) = λ(Pm ,») - λ ,oU (33)
als Abweichung vom hier als konstant angenommenen Sollwert definiert ist. Wir bestimmen also
Figure imgf000028_0001
woraus mit Gleichung 27
Ae(pm,n) = Aλ(pm,n) af pm >)
(35) ΔΘl -p, „ Δα,(A.,") ΔΘI , κ
folgt. Zunächst wollen wir den ersten Quotienten der rechten Seite aus vorstehender
A 1 Gleichung betrachten: ist kleiner oder gleich null! Dies kann ganz einfach erklärt
Aaf werden: bei konstanter Luftmasse im Zylinder nimmt die Luftzahl λ mit zunehmender eingespritzter Kraftstoffmasse mfcyl ab, das Gemisch wird fetter Und mit zunehmendem
Tastverhältnis af , also längerer Ventilöffnungsdauer bei gleichbleibender Drehzahl, wird naturlich auch mehr Kraftstoff eingespritzt, zumindest aber gleichviel, weniger wäre widersinnig Es gilt also nach Gleichung 27
Figure imgf000029_0001
weil ja
Figure imgf000029_0002
naturlich großer (oder evtl gleich) null ist
Nun betrachten wir den zweiten Quotienten der rechten Seite von Gleichung 35 Aus den Eigenschaften des Neuronalen Netzes DANN folgt
a f (Pm , ")
> 0 (38)
ΔΘl
was bedeutet, daß bei Verstellung eines Stutzwertes nach oben an einer bestimmten Stelle im Eingangsraum des DANN/GRNN die Ausgabe des Netzes an dieser Stelle naturlich auch steigt Damit gilt
Figure imgf000029_0003
Diese Ableitungen sind möglich, weil bei der Stutzwerteadaption wegen der Lokalitat der Stutzwertewirkung dieser Netze
n * ΔΘ = e(pm ,)A(Pm ,n) (40)
Figure imgf000029_0004
gilt.
Wir können nun zusammenfassen
Ae(pm,n) = Aλ(Pm,n) = ^n^ΔΘ|^ „ (41)
und mit dem Adaptionsgesetz folgt
Ae(pm,n) = Aλ(Pm,n) = ~^ - ΔΘ^ „ = -kψ{Pm ,n) k ≥ 0 (42)
' Pm -n
-k,k > 0
Damit ist die Beziehung
Ae(pm ,n) = -kηe(pm,n) k Q (43)
hergeleitet, mit der die Stabilität des Adaptionsansatztes 18 bewiesen ist Dazu interpretieren wir Gleichung 43 verbal
Das Vorzeichen der Fehleranderung ist also stets invers dem Vorzeichen des Fehlers, mit anderen Worten, ist der Fehler kleiner null (e <0), so steigt sein Wert ( Δe >0), sein Betrag wird damit kleiner Ist der Fehler großer null, so fallt sein Wert, auch hier wird somit der Betrag kleiner Somit kann der Fehler nur gegen null konvergieren
Neben der Konvergenz des Gemischfehlers im Arbeitspunkt zu null folgt aus den Eigenschaften des DANN die Konvergenz der Stutzwerte in den gelernten Arbeitspunkten gegen die einzig möglichen Stutzwerte, mit denen λ = λ soU erreicht werden kann Diese Ableitung gilt lokal, für den Arbeitspunkt (pm,n) des Verbrennungsmotores Logisch ist, wiederum wegen der Lokalitat der
Stutzwertewirkung, daß nur in diesen Betriebspunkten der Gemischfehler mit hoher Genauigkeit ausgeglichen wird, in denen auch die Steuerung lernen kann Zu berücksichtigen ist noch eine Lernkorrelation, namlich eine Totzeit wegen des Viertakt-Arbeitsverfahrens. Bei den obenstehenden Ableitungen waren wir bei der Adaption davon ausgegangen, daß bei der Gemischbildung gleich der entstehende Gemischfehler zur Adaption der Einspritzsteuerung herangezogen werden kann Infolge des Viertakt-Arbeitsverfahren des Verbrennungsmotors steht jedoch bei Verwendung einer Abgas-Lambdasonde erst frühestens nach drei Takten Totzeit (Verdichten, Verbrennen, Ausschieben) ein Meßwert für die Luftzahl zur Verfügung Dargestellt ist dies in Fig 4 Diese Figur zeigt einen Signalflußplan für die Bildung des Gemischverhältnis bei gedrosselten direkteinspritzenden Kolben-Verbrennungsmotoren Die zusatzliche (dünn eingezeichnete) Abhängigkeit η ιl = ( , , cc i ir ) gilt für Motoren mit variabler Nockenwelle oder Schaltsaugrohr Zwischen Gemischbildung und Lambda-Messung liegt eine Totzeit von drei Takten wegen des Viertakt- Arbeitsverfahren des Verbrennungsmotors
Zur Lernkorrelation müssen wir demnach bei der Adaption diese Totzeit berücksichtigen Dies geschieht zweckmäßigerweise durch eine einfache Verzögerung der Eingangswerte (pm und ) bei der Adaption, so daß Fehlersignal und zu verstellender Stutzwert miteinander korrelieren Dagegen müssen zur Bildung des Einspritzsignals (ctj ) die unverzogerten Eingangswerte herangezogen werden
Das obenstehend beschriebene Beispiel betrifft die Synthese eines Steuergesetzes für die Einspritzung bei direkteinspritzenden Verbrennungsmotoren Der Beschreibung lag ein gedrosselter Benzin-Direkt einspritzer mit konstantem Soll-Gemischverhaltnis zugrunde Kann das Soll-Gemischverhaltnis wie beispielsweise bei Dieselmotoren einen variablen Wert annehmen, so kann dieser Sollwert als zusatzliche Eingangsdimension des DANN vorgesehen werden Ebenso kann bei nockenwellenlos angetriebenen Einlaßventilen deren Steuersignal (Tastverhältnis aa ) anstelle des Saugrohrdruckes als Netzeingang herangezogen werden Sinnvoll ist bei einer realen Implementierung der Ansatz des Neuronalen Netzes als Korrekturglied neben z B off-line bestimmten Vorwissen in Form etwa einer linearen Abbildung pm — > a} Dadurch kann die Lernzeit erheblich verringert werden Die folgende Tabelle gibt uberblickartig die hier verwendete Nomenklatur wieder
m acyi Masse Frischluft im Zylinder kg nat Massenstrom Frischluft durch Drosselstelle kg s~" mm Massenstrom Frischluft in den Zylinder kgs" ϊflfcyi Masse Kraftstoff im Zylinder kg n Drehzahl des Kolben-Verbrennungsmotors s '
Po Umgebungsdruck der Luft (langsam veränderlich) Pa pm Luftdruck im Saugrohr Pa
R Gas konstante Jkgm
To Lufttemperatur m der Umgebung (langsam veränderlich) K
Tχ Zeitkonstante der Lambdasonde s
Tm Lufttemperatur m Saugrohr A* VD Hubvolumen eines Zylinders m3 acs Steuerwinkel bei variabler Nockenwellensteuerung (VANOS) rad a,h Lagewinkel der Drosselklappe rad ηvoι Volumetrische Effizienz — λ Luftzahl — Am gemessene Luftzahl —
Im folgenden wird als Beispiel für einen geeigneten lernfahigen Neuronales-Netz- Algorithmus das sogenannte DANN naher erläutert Es verbindet die Vorteile normierter RBF-Netze mit dem Vorteil der Rechenzeit- und Speicherplatzoptimierung
Bei Verwendung des sogenannten Distance Activation Ne ral Network DANN nach Fig 5 die eine Parallel-Darstellung eines DANN mit zwei Eingangsdimensionen zeigt, wird durch die lokale Stützwertewirkung beim Lernvorgang Parameterkonvergenz garantiert und die Problematik der sog persistent excitation umgangen Parameterkonvergenz bedeutet hierbei, daß das Neuronale Netz nur mit einem Parametersatz eine bestimmte statische Nichtlinearität approximieren kann Es besteht demnach eine eindeutige Zuordnung von gelerntem Zusammenhang und Stutzwerten des ΛW , dies macht das gelernte Wissen interpretierbar Dieser im Vergleich zu anderen lernfahigen Algorithmen entscheidende Vorteil beruht auf der Form des RBF-Netzes, speziell des DANN die beim Lernen zu verstellenden Parameter wirken in der Hauptsache lokal und das Netz liefert damit eine stetige Ausgangsfunktion über dem Eingangsraum mit definiertem Interpolationsverhalten Das Extrapolationsverhalten des DANN an Stellen, an denen kein Wissen in Form gelernter Parameter zur Verfügung steht, ist ebenso definiert wie sinnvoll: der Ausgang des Netzes entspricht einem (gewichteten) Mittelwert des gelernten Wissens in der gelernten Umgebung; das DANN unterscheidet sich hierin erheblich vom originären RBF-Netz. Das Netz besteht aus lokal aktivierten Neuronen, d.h. hauptsächlich die Neuronen in der unmittelbaren Umgebung des Netzeinganges x werden aktiviert. Die Struktur des DANN ist unterteilbar in Aktivierung und Gewichtung. Dies veranschaulicht die in Fig. 6 gezeigte Signalflußplan-Darstellung eines DANN mit einer Eingangsdimension (d.h. skalarem Eingang x), A(x) und 9; sind
Vektoren; y(x) - # A(x) ■ Dadurch ist es beim Lernen für das sogenannte Verfahren der verzögerten Aktivierung zugänglich.
Kurz sei nun der Algorithmus des DANN beschrieben.
Ein skalarer Schätzwert y an einer Stelle x e 9T mit einer gegebenen Menge von q
Datenpunkten (Stützwerten θ; an Stützstellen ς ) (θ„ ς ), / e [l, f/] und ς e 91" ist beim DANN definiert durch die Gleichung
•_—i ι= l ' 1 + σd; - T
= 9 A( x) (44)
1
∑:., 1 + σd
mit den Abständen
d, = l x - ς, l (45)
Gleichung 44 garantiert die Beschränktheit der Aktivierung A x) , durch die Normierung wird
^(x)r l = l (46) erreicht, das heißt, die Summe der Aktivierungen aller Neuronen ist stets gleich eins, ebenso betragt die Aktivierung eines einzelnen Neurons stets einen Wert zwischen null und eins Aus Gleichung 44 wird klar, daß bei sehr kleinem Glattungsfaktor σ nahezu nur ein einziges Neuron aktiviert wird, damit tragt also beinahe nur ein einziger Stutzwert zum Ergebnis der Auswertung bei Wird also ein Stutzwert verstellt, so wird der Netzausgang auch nur in dessen Umgebung verändert Wir nennen diesen Sachverhalt "Lokalität" der Stutzwertewirkung Zur Veranschaulichung zeigt Fig 7 die Lokalitat der Stutzwertewirkung, der Netzausgang ändert sich nur in der Umgebung des verstellten Stutzwertes Diese Feststellung ist wichtig für den Stabilitatsbeweis des Lernens bei dem erfindungsgemaßen Verfahren
Gleichung 44 definiert eine stetige beliebig nicht neare Ausgangsfunktion y = f(x) (bezeichnet geschätzte oder verstellbare Großen) mit definiertem Inter- und Extrapolationsverhalten wie in Fig 8 dargestellt Diese Figur zeigt Inter- und Extrapolationsverhalten des DANN, die Kreuze bezeichnen die vorhandenen Datenpunkte Im gelernten Bereich stimmt der durch die Stutzwerte (Kreuze) approximierte Verlauf mit der zu erlernenden Sinus-Funktion uberein Über den gelernten Bereich hinaus tendiert der Schatzwert mit zunehmender Entfernung vom nächsten Stutzwert zum Durchschnitt allen vorhandenen Wissens (Stutzwerte) Der Schatzwert an einer Auswertestelle mit großem Abstand zum gespeicherten Wissen (Datenpunkte) wird sich zum Mittelwert des vorhandenen Wissens ergeben, in der unmittelbaren Nahe eines Datenpunktes bestimmt dieser hauptsachlich den Netzausgang Werden die Stutzwerte in ihrem Gewicht θ, als verstellbar definiert, so kann die einfachste, in Fig 9 dargestellte Online-Struktur zum Lernen abgeleitet werden Diese Darstellung gilt für zeitkontinuierliche Systeme Das gezeigte DANN kann alle statischen (ohne interne Zustande wie z B Gedächtnis) Nicht nearitaten bis hin zu Unstetigkeiten (grouped activation ethod) abgesehen eines kleinen Approximationsfehlers wegen der endlichen Stutzwerteanzahl erlernen Bei Abbildungen mit Gedächtnis (z B wegen des oben erwähnten Speichereffekts) wird die Information über vorausgegangene Ereignisse in das Lern- und Abbildungsverhalten mit einbezogen Die in Fig 9 dargestellte Lernstruktur basiert auf einem bekannten mathematischen Fehlermodell, für das Stabilität nach der direkten Methode nach Ljapunov bewiesen ist Eine zu erlernende eindimensionale Nichtlinearitat wie in Fis; 9 soll in der DANN-Form als das Skalarprodukt y(t) = 3_ τ A(x(t)) + d dargestellt sein, wobei x(t) , y(t) e 91 und
_, «__ e 91", der konstante Vektor 3 ist der unbekannte zu erlernende Parametervektor der Dimension n, wobei n Stutzwerte verteilt über dem Eingangsraum die reale zu erlernende Nichtlinearitat bis auf den Fehler d -» 0 mit n — » ∞ darstellen können Nach Fig 9 berechnet sich der Beobachterfehler zu e(t) = y(t) - y(t) Wird ein
Parameterfehlervektor definiert als Φ(t) = (t) - 3_, so ergibt sich die Fehlergleichung zu
e(t) = A(x(t))τ (t) (47)
Nach dem Fehlermodell 1 kann
Φ(/) = -e(t)A_(x(t)) , (48)
als garantiert stabiles Adaptionsgesetz gewählt werden, da wegen der Eigenschaften des DANN (Gleichung 44) der Vektor 4.( (0) ιn a"en seinen Komponenten beschrankt ist
Dies führt zu einer monoton abnehmenden Funktion |Φ(t)| , was ja lιm,→OT v9(t) = 3 bedeutet
Bei den vorliegenden Ausführungsbeispielen wird die gezeigte Lernfähigkeit des DANN zur Synthese eines Steuergesetzes für die Kraftstoffeinspritzung verwendet, indem beim Lernen der Fehler zwischen Soll-Gemischverhaltnis und Ist-Gemischverhaltnis zu null gemacht wird
Obiges Ausführungsbeispiel soll nun an einer Simulation demonstriert werden Es soll die Fähigkeit des Ansatzes gezeigt werden, daß eine Abbildung gelernt werden kann, so daß gilt NLa (Pm,n) = λ^NLj [NN(Pm ή ,] (49)
Zur Demonstration sei λsoU gleich 1 Zum Zweck der Veranschaulichung wird für NLa (pm,ri) die statische stetige nichtlineare Beziehung
NLa(pm,n = [1 - exp(-4^m)]exp(-») (50) angenommen, für NLf (af ,ή) nehmen wir
NLf (aJ ,n) = 1 - - exp(-0 5//) (51)
2 + a ,
an, eine nichtlineare Funktion, die mit αy monoton steigend ist Diese beiden für den
Luftpfad und den Kraftstoffpfad angenommenen Nichtlinearitaten sind in den Fig 10 und 1 1 dargestellt.
Sind diese Abhängigkeiten bekannt, so kann analytisch die Abbildung ΛW ., berechnet werden, so daß Gleichung 49 mit NN = ΛW ,, erfüllt wird Mit den Beziehungen soll nach Gleichungen 50 und 51 ergibt sich für die Abbildung AW( soll
ar (Pm,n) = NN „ = 2 (52)
/ ^»' soll l - (l - exp(-4/; )) exp(-05//)
die durch die Reglersynthese zu erlernen ist
Drehzahl n sei auf Maximaldrehzahl normiert, ebenso der Saugrohrdruck auf Umgebungsdruck, diese Großen schwanken also beide zwischen 0 und 1 Zur Lernsimulation wird nun der Eingangsraum » e [02,08] und pm e [02,08] flächendeckend durchfahren, in Fig 16 wird dies bei der gelernten Steuerfläche deutlich In den Fig 12, 13 und 14 ist dabei der zu erlernende Steuerverlauf nach Gleichung 52 und der online vom Netz erlernte Verlauf von a/ wahrend des Lernvorganges dargestellt Diese Figuren zeigen jeweils den optimalen Verlauf der Steuergroße (gestrichelt) und den vom Netz gelernten Verlauf (durchgezogen) Fig 12 zeigt dabei den Beginn des Lernens (wobei ohne jedes Vorwissen begonnen wurde), Fig 13 den Steuergrόßenverlauf wahrend des Lernens, und in Fig 14 ist das Lernen so gut wie abgeschlossen Den wahrend des Lernens schnell kleiner werdenden Gemischfehler zeigt Fig 15.
Den dabei im Neuronalen Netz gelernten Zusammenhang stellt Fig 16 der zu lernenden Abhängigkeit gegenüber Die Figur zeigt den zu erlernenden und den gelernten Zusammenhang, und zwar jeweils die Steuerflache Im Zielzusammenhang ist nur die Flache über dem während des Lernens zu durchfahrenden Eingangsraum dargestellt, um einen einfachen Vergleich zu ermöglichen Selbstverständlich war auch nur im durchfahrenen Eingangsraum gelernt worden, demzufolge ist auch nur dort das Wissen aussagekräftig
Diese Simulation demonstriert, daß ohne jedes Vorwissen bereits nach großenordnungsmäßig 10000 Takten (verteilt über die verschiedenen Betriebspunkte), ein ganzes Kennfeld für die Einspritzsteuerung mit sehr großer Genauigkeit „angelernt" ist

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Gemischsteuerung bei einem Verbrennungsmotor, das folgende Schritte umfaßt a) Messen wenigstens einer Große, mit der die in einen Brennraum des Verbrennungsmotors gelangende Luftmasse im Zusammenhang steht (sog Eingangsgroße), b) Ermitteln wenigstens einer die zuzuführende Kraftstoffmenge steuernde Ausgangsgroße in Abhängigkeit von wenigstens der/den in a) gemessenen
Eingangsgroße/n, mit Hilfe gespeicherter Abbildungsinformation, c) Zuführen der Kraftstoffmenge entsprechend der Ausgangsgroße aus b), d) Messen einer Große, die Information über das so entstandene Gemisch tragt (sog Istgroße), e) Ermitteln einer Abweichung der in d) gemessenen Istgroße von einem
Sollwert für diese Große, f) Verandern der gespeicherten Abbildungsinformation in Abhängigkeit von der in e) ermittelten Abweichung für den in a) gemessenen Betriebszustand, so daß bei einem zukunftigen Durchlaufen der Schritte a) bis e) im gleichen Betriebszustand die Abweichung kleiner wird, und das damit einen Lernprozeß realisiert
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Schritte a) bis e) taktweise durchgeführt werden, wobei die Schritte d) und e) dem Takt zugeordnet werden, in dem die Schritte a) bis c) durchgeführt werden
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Verbrennungsmotor ein Motor mit oder ohne Aufladung ist und die Eingangsgroße bzw eine der Eingangsgroßen der Druck im Saugrohr des Verbrennungsmotors ist Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Verbrennungsmotor mit einem veränderlichen Ansaugsystem ausgerüstet ist, und eine dessen Stellung charakterisierende Große die Eingangsgroße bzw eine der Eingangsgroßen ist
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Verbrennungsmotor eine Einlaßventilsteuerung mit verstellbaren Ventilsteuerzeiten aufweist und die Eingangsgroße bzw eine der Eingangsgroßen ein oder mehrere Ventilsteuerzeitparameter sind
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Verbrennungsmotor frei betatigbare Einlaßventile aufweist und die Eingangsgroße bzw eine der Eingangsgroßen das Tastverhaltnis und/oder die Schließ- und/oder Öffnungszeit der Einlaßventile sind
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Eingangsgroße bzw eine der Eingangsgroßen die Drehzahl des Verbrennungsmotors ist
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Verbrennungsmotor mit variablem Gemischverhaltnis gesteuert wird, und deshalb das Soll- Gemischverhaltnis eine der Eingangsgroßen ist
Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, bei dem die Ausgangsgroße eine oder mehrere der folgenden Großen ist Einspritzdauer, Tastverhaltnis der Einspritzventiloffnung, Ein-spritzdruck, Offnungsgrad des Einspritzventils
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem als Verbrennungsmotor ein Motor verwendet wird, der im wesentlichen keinen Kraftstoffspeichereffekt aufweist, insbesondere ein direkteinspritzender Motor
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Ermittlung der Ausgangsgroße/n im Schritt b) nur auf Größen beruht, die zum aktuell vorliegenden Arbeitstakt gehören Verfahren nach einem der Ansprüche l bis 9, bei dem ein Verbrennungsmotor mit Kraftstoffspeichereffekt verwendet wird, und in die Ermittlung der Ausgangsgröße/n im Schritt b) auch Großen aus einem oder mehreren vorhergehenden Arbeitstakten einbezogen werden
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die gespeicherte Abbildungsinformation die Form eines Kennfeldes hat, welches die Ausgangsgroße/n direkt oder indirekt enthalt, und bei dem im Schritt f) ein oder mehrere gespeicherte Werte verändert werden
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem die Abbildung der Eingangsgröße/n auf die Ausgangsgroße/n durch einen Neuronales-Netz- Algorithmus erfolgt
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Ausgangsgroße durch Verknüpfung eines die abgespeicherte Abbildungsinformation repräsentierenden Stutzwertevektors (Θ) und eines von der/den Eingangsgroße/n abhangigen Aktivierungsvektors (A) gebildet wird
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem die Verknüpfung linear ist, und insbesondere die Form eines Skalarprodukts hat
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, bei dem der Aktivierungsvektor (A) normiert ist und nur vom Abstand der Eingangsgroße/n zu den Stutzstellen abhangt, die der Vektordarstellung zugrundehegen
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, bei dem die Abbildung der Eingangsgröße/n auf die Ausgangsgroße/n im wesentlichen lokal ist
Verfahren nach Anspruch 18, bei dem nur diejenige/n Komponenten/n des Aktivierungsvektors (A) nennenswert große Werte erhalt/erhalten, die im geringem Abstand zu der/den Eingangsgroße/n hegt/liegen, wahrend Komponenten in größerem Abstand vernachlassigbar klein sind oder verschwinden
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, bei dem die Komponenten A, des Aktivierungsvektors (A) vom Abstand dt der Eingangsgroße/n zu der zugehörigen Stύtzstelle i gemäß einer Zentrumsfünktion, insbesondere
A1 ~ e -- σ " oder A^ ι abhangen, wobei σ ein Breitenparameter ist
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 20, bei welchem die Veränderung der Abbildungsinformation im wesentlichen in dem Bereich des Abstands von einer Abweichungsstelle erfolgt, der auch in die Abbildung der an dieser Stelle liegende/n Eingangsgröße/n auf die Ausgangsgroße/n einbezogen wurde
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 21, bei dem die Veränderung der Abbildungsinformation im wesentlichen lokal zur Abweichungsstelle erfolgt
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 22, bei dem die Veränderung der Abbildungsinformation erfolgt, indem zu dem Stutzwertevektor (Θ) ein Stutzwertekorrekturvektor (ΔΘ) addiert wird, welcher einer Verknüpfung, und zwar insbesondere dem Produkt des Abweichungswerts (e) mit dem Aktivierungsvektors (A) proportional ist
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 23, bei dem die Adaption der gespeicherten Abbildungsinformation bzw der Lernprozeß mit einem
Adaptionsgesetz mit Stabilität und Parameterkonvergenz geschieht
Vorrichtung zur Gemischsteuerung bei einem Verbrennungsmotor, umfassend a) wenigstens eine Einrichtung zur Messung wenigstens einer Große, mit der die in einen Brennraum des Verbrennungsmotors gelangende Luftmasse im
Zusammenhang steht (sog Eingangsgroße), b) wenigstens eine Stelleinrichtung zum Zufuhren von Kraftstoff; c) wenigstens eine Einrichtung zur Messung einer Größe, die Information über das so entstandene Gemisch oder dessen Verbrennung trägt (sog. Istgröße); d) wenigstens einen Speicher zur Aufnahme der veränderlichen
Abbildungsinformation; e) und einen zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1 programmierten und/oder fest verdrahteten Rechner.
26. Vorrichtung nach Anspruch 25, bei dem der Rechner zur Ausführung einer oder mehrerer Ausgestaltungen des Verfahrens gemäß Anspruch 2 bis 24 programmiert bzw. verdrahtet ist.
PCT/EP1998/001001 1997-02-20 1998-02-20 Verfahren zur gemischsteuerung bei einem verbrennungsmotor sowie vorrichtung zu dessen durchführung Ceased WO1998037321A1 (de)

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DE59808282T DE59808282D1 (de) 1997-02-20 1998-02-20 Verfahren zur gemischsteuerung bei einem verbrennungsmotor und vorrichtung zu dessen durchführung

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