Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Regler

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Regler, wobei der Regler eine Lambdaregelung durchführt. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Regler, wobei der Regler eine Lambdaregelung durchführt.

Bei einer Einzelzylmderregelung, welche auch CILC (Cylmder Individual Lambda Control) genannt werden kann, wird typi ^¬ scherweise ein langsam arbeitender Regler verwendet. Trotzdem kommt es häufig bei einigen Betriebspunkten zu Überschwingungen oder zu Dauerschwingen.

Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es die Lambdaregelung zu verbessern, insbesondere bei der Einzelzy linderregelung .

Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung zeichnet sich aus durch ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Regler, wobei der Regler eine Lambdaregelung durchführt. Die Erfindung zeichnet sich des Weiteren aus durch eine Vorrichtung zum Betreiben einer

Brennkraftmaschine mit einem Regler, wobei der Regler eine

Lambdaregelung durchführt, wobei die Vorrichtung dazu ausge ^¬ bildet ist, das Verfahren auszuführen. Bei dem Verfahren wird eine Stellgröße des Reglers ermittelt . Ein Vorwärtsmodell für die Regelung wird ermittelt. Abhängig von der Stellgröße und dem Vorwärtsmodell wird ein Vorhersagewert ermittelt, der repräsentativ ist für eine prognostizierte Streckenantwort. Abhängig von dem Vorhersagewert erfolgt die Regelung der Brennkraftmaschine.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass bei der Lambdaregelung, insbesondere bei der Einzelzylinderlambdare- gelung von einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine, das System mit einer charakteristischen Streckenantwort auf eine Soll ^¬ wertänderung reagiert. Viele Kenngrößen der charakteristischen Streckenantwort, wie Totzeiten und Tiefpassverhalten, können einfach ermittelt werden. Indem das Vorwärtsmodell verwendet wird, können derartige Totzeiten und Tiefpassverhalten aus der Regelung herausgerechnet werden. Somit können die Reglerparameter derart gewählt werden, dass der Regler deutlich schneller reagiert. Somit kann die Lambdaregelung verbessert werden .

Gemäß einer optionalen Ausgestaltung wird eine erste Totzeit ermittelt, die repräsentativ ist für eine Verzögerung durch eine Berechnung einer Einspritzmenge in einer Motorsteuerung. Abhängig von der ersten Totzeit wird das Vorwärtsmodell für die Regelung ermittelt.

Gerade die erste Totzeit, die durch die Berechnung der Ein ^¬ spritzmenge in der Motorsteuerung entsteht, kann mit dem Vorwärtsmodell sehr effizient kompensiert werden, da sich diese Totzeit normalerweise im Betrieb nicht verändert und einfach ermittelbar ist. Die Verzögerung durch die Berechnung der Einspritzmenge umfasst insbesondere die Zeit zwischen der Berechnung der Einspritzmenge und dem Absetzen und/oder Verbrennen der Einspritzmenge. Gemäß einer optionalen Ausgestaltung wird die erste Totzeit abhängig von einer Größe eines Ringspeichers der Motorsteuerung ermittelt . Mittels der Größe des Ringspeichers lässt sich die erste Totzeit sehr einfach ermitteln, da der Ringspeicher die Totzeit sehr genau nachbildet bzw. simuliert.

Gemäß einer optionalen Ausgestaltung wird eine zweite Totzeit ermittelt, die repräsentativ ist für eine Gaslaufzeit der zu regelnden Strecke. Abhängig von der zweiten Totzeit wird das Vorwärtsmodell für die Regelung ermittelt.

Die zweite Totzeit, die repräsentativ ist für eine Gaslaufzeit der zu regelnden Strecke, ist fest durch die zu regelnde Strecke vorgegeben. Somit kann sie sehr einfach ermittelt werden und somit mit dem Vorwärtsmodell sehr effizient kompensiert werden.

Gemäß einer optionalen Ausgestaltung wird die zweite Totzeit abhängig von einer Last mittels eines Kennfelds ermittelt.

Da die zweite Totzeit von der Last abhängt, lässt sie sich sehr gut lastabhängig durch ein Kennfeld beschreiben. Somit kann die zweite Totzeit durch das Kennfeld sehr einfach ermittelt werden.

Gemäß einer optionalen Ausgestaltung wird die zweite Totzeit abhängig von einem vorgegebenen ersten Tiefpass ermittelt, der repräsentativ ist für eine Gaslaufzeit der zu regelnden Strecke. Die zweite Totzeit lässt sich sehr einfach mittels eines ersten Tiefpasses nachbilden, insbesondere mittels einer Filterkon ^¬ stante des ersten Tiefpasses. Somit kann die zweite Totzeit sehr gut abhängig von dem vorgegebenen ersten Tiefpass ermittelt werden . Gemäß einer optionalen Ausgestaltung wird eine dritte Totzeit ermittelt, die repräsentativ ist für eine Verzögerung bei einer Signalerfassung eines Messglieds der Regelstrecke. Abhängig von der dritten Totzeit wird das Vorwärtsmodell für die Regelung ermittelt.

Das Sensorverhalten des Messgliedes ist meist in dem System bekannt und kann beispielsweise durch ein weiteres Kennfeld repräsentiert werden, so dass die dritte Totzeit beispielsweise abhängig von dem weiteren Kennfeld ermittelt wird. Das weitere Kennfeld beschreibt hierbei beispielsweise die Gaslaufzeist bis zu einer maximalen Messamplitude. Alternativ oder zusätzlich kann das Sensorverhalten mit einem weiteren Tiefpass beschrieben werden .

Gemäß einer optionalen Ausgestaltung wird eine Kenngröße eines zweiten Tiefpassfilters ermittelt, die repräsentativ ist für eine Tiefpassfilterung bei einer Signalerfassung eines Messglieds der Regelstrecke. Abhängig von der Kenngröße des zweiten Tiefpassfilters wird das Vorwärtsmodell für die Regelung er ^¬ mittelt .

Das Messsignal bei der Messwerterfassung der Einzelzylinder- lambdaregelung ist mit relativ starkem Rauschen belegt, so dass hier häufig ein Tiefpassfilter verwendet wird, um einen stabilen Mittelwert zu erzeugen. Insbesondere die Filterkonstante dieses Filters kann somit als Kenngröße verwendet werden um das Vorwärtsmodell für die Regelung zu ermitteln. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein Ablaufdiagramm zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Regler, Figur 2 ein beispielhafter Regelkreis,

Figur 3 verschiedene Ausführungsformen eines Vorwärtsmo- dells ,

Figur 4 beispielhaftes Streckenverhalten,

Figur 5 eine beispielhafte Regelung ohne Vorwärtsmodell,

Figur 6 eine beispielhafte prognostizierte Streckenantwort und

Figur 7 eine beispielhafte Regelung mit Vorwärtsmodell.

Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Die Figur 1 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Programms zum Be- treiben einer Brennkraftmaschine mit einem Regler R, wobei der Regler R eine Lambdaregelung durchführt.

Das Programm kann beispielsweise von einer Steuervorrichtung 50 abgearbeitet werden. Die Steuervorrichtung 50 weist hierfür insbesondere eine Recheneinheit, einen Programm- und Daten ^¬ speicher, sowie beispielsweise eine oder mehrere Kommunika ^¬ tionsschnittstellen auf. Der Programm- und Datenspeicher und/oder die Recheneinheit und/oder die Kommunikations ^¬ schnittstellen können in einer Baueinheit und/oder verteilt auf mehrere Baueinheiten ausgebildet sein. Auf dem Daten- und

Programmspeicher der Steuervorrichtung 50 ist hierfür insbesondere das Programm gespeichert. Die Steuervorrichtung 50 kann auch als Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Regler R bezeichnet werden, wobei der Regler R eine Lambdaregelung durchführt. In einem Schritt Sl wird das Programm gestartet und es werden gegebenenfalls Variablen initialisiert.

In einem Schritt S3 wird eine Stellgröße SG des Reglers R ermittelt .

In einem Schritt S5 wird ein Vorwärtsmodell FM für die Regelung ermittelt .

Zur Ermittlung des Vorwärtsmodells FM wird beispielsweise eine erste Totzeit T_DLY ermittelt, die repräsentativ ist für eine Verzögerung durch eine Berechnung einer Einspritzmenge in einer Motorsteuerung und abhängig von der ersten Totzeit T_DLY wird das Vorwärtsmodell FM für die Regelung ermittelt. Die erste Totzeit T_DLY wird beispielsweise abhängig von einer Größe eines Ringspeichers der Motorsteuerung ermittelt.

Alternativ oder zusätzlich wird zur Ermittlung des Vorwärtsmodells FM beispielsweise eine zweite Totzeit tl ermittelt, die repräsentativ ist für eine Gaslaufzeit der zu regelnden Strecke und abhängig von der zweiten Totzeit tl wird das Vorwärtsmodell FM für die Regelung ermittelt.

Die zweite Totzeit t2 wird beispielsweise abhängig von einer Last mittels eines Kennfelds ermittelt und/oder abhängig von einem vorgegebenen ersten Tiefpass, der repräsentativ ist für eine Gaslaufzeit der zu regelnden Strecke.

Alternativ oder zusätzlich wird zur Ermittlung des Vorwärtsmodells FM beispielsweise eine dritte Totzeit t2 ermittelt, die repräsentativ ist für eine Verzögerung durch eine Signalerfassung eines Messglieds MG der Regelstrecke und abhängig von der dritten Totzeit t2 wird das Vorwärtsmodell FM für die Regelung ermittelt .

Alternativ oder zusätzlich wird zur Ermittlung des Vorwärtsmodells FM beispielsweise eine Kenngröße eines zweiten Tief ^¬ passfilters ermittelt, der repräsentativ ist für eine Tief ^¬ passfilterung bei der Signalerfassung des Messglieds MG der Regelstrecke und abhängig von der Kenngröße des zweiten

Tiefpassfilters wird das Vorwärtsmodell für die Regelung er ^¬ mittelt .

In einem Schritt S7 wird abhängig von der Stellgröße SG und dem Vorwärtsmodell FM ein Vorhersagewert ermittelt, der reprä ^¬ sentativ ist für eine prognostizierte Streckenantwort.

In einem Schritt S9 erfolgt abhängig von dem Vorhersagewert die Regelung der Brennkraftmaschine.

In einem Schritt Sil wird das Programm beendet und kann ge ^¬ gebenenfalls wieder in dem Schritt Sl gestartet werden.

Figur 2 zeigt einen beispielhaften Regelkreis für die Regelung.

Der Regler R gibt die Stellgröße SG aus, welche in eine Strecke S mit einer ersten Totzeit tl geführt wird. Eine Regelgröße wird rückgeführt. Für die Rückführung erfasst das Messglied MG die Regelgröße . Das Messglied MG benötigt für die Signalerfassung die dritte Totzeit t2 und eine Tiefpassfilterung mit einer Filterkonstante m. Das so erfasste Signal wird von einer Füh ^¬ rungsgröße subtrahiert. Die Stellgröße SG wird zusätzlich dem Vorwärtsmodell FM zu ^¬ geführt, so dass der Vorhersagewert ermittelt werden kann, der repräsentativ ist für die prognostizierte Streckenantwort des Vorwärtsmodells FM. Der Vorhersagewert wird von der Stellgröße SG subtrahiert. Das Ergebnis dieser Subtraktion wird von dem Ergebnis der Subtraktion von der Führungsgröße und dem erfassten Signal subtrahiert zum Erzeugen einer Regelabweichung, die dem Regler R eingangsseitig zugeführt wird. Figur 3 zeigt verschiedene Ausführungsformen des Vorwärtsmodells FM.

In dem ersten Beispiel VARl umfasst das Vorwärtsmodell FM die erste Totzeit T_DLY und die zweite Totzeit tl, wobei die zweite Totzeit tl abhängig von dem vorgegebenen ersten Tiefpass ermittelt wird, der repräsentativ ist für die Gaslaufzeit der zu regelnden Strecke.

Das erste Beispiel VARl des Vorwärtsmodells FM ist somit ein sehr einfach zu ermittelndes Vorwärtsmodell.

In dem zweiten Beispiel VAR2 umfasst das Vorwärtsmodell FM die erste Totzeit T_DLY und die zweite Totzeit tl, wobei die zweite Totzeit tl abhängig von einer Last mittels des Kennfelds er- mittelt wird.

Das zweite Beispiel VARl des Vorwärtsmodells FM ist somit insbesondere vorteilhaft, wenn das Kennfeld verfügbar ist. In dem dritten Beispiel VAR3 umfasst das Vorwärtsmodell FM die erste Totzeit T_DLY, die zweite Totzeit tl, die dritte Totzeit t2 und/oder die Kenngröße des zweiten Tiefpassfilters , ins ^¬ besondere die Filterkonstante m. Die zweite Totzeit tl wird hierbei abhängig von dem vorgegebenen ersten Tiefpass ermittelt. Die dritte Totzeit t2 und/oder die Kenngröße wird abhängig von dem zweiten Tiefpassfilter ermittelt.

Das dritte Beispiel VARl des Vorwärtsmodells FM bildet die reale Strecke besonders exakt nach.

Figur 4 zeigt ein beispielhaftes Streckenverhalten. Wird ein eine Änderung eines Sollwerts SW auf die Regelstrecke bei einer Einzelzylinderlambdaregelung gegeben so setzt sich die Stre- ckenantwort SAl, SA2 insbesondere zusammen aus der ersten Totzeit T_DLY, der zweiten Totzeit tl und/oder der dritten Totzeit t2 (nicht gezeigt) .

Figur 5 zeigt eine beispielhafte Regelung ohne Vorwärtsmodell FM. Eine Streckenantwort SA4 zeigt das Verhalten bei einem langsam eingestellten Regler R. Eine weitere Streckenantwort SA3 zeigt das Verhalten bei einem schneller eingestellten Regler R. Hier kann es zu Überschwingen oder Dauerschwingen kommen.

Figur 6 zeigt eine beispielhafte prognostizierte Strecken- antwort. Auf das Vorwärtsmodell FM wird eine Änderung des

Sollwerts SW gegeben, das Vorwärtsmodell FM reagiert hierauf mit einer Vorwärtsmodellstreckenantwort SFM, also der prognosti ^¬ zierten Streckenantwort. In diesem Beispiel umfasst das Vor ^¬ wärtsmodell FM die erste Totzeit T_DLY und die zweite Totzeit tl.

Figur 7 zeigt eine beispielhafte Regelung mit dem Vorwärtsmodell FM. Im oberen Teil ist wiederum zu sehen wie eine Änderung des Sollwerts SW auf die Strecke gegeben wird und somit zu einer Streckenantwort SA führt. Die Änderung des Sollwerts SW wird ebenfalls auf das Vorwärtsmodell FM geführt. Im hier gezeigten Idealfall antwortet das Vorwärtsmodell FM mit der Vorwärts ^¬ modellstreckenantwort SFM, die identisch ist mit der Stre ^¬ ckenantwort SA. Im unteren Teil ist zu sehen wie eine Änderung der Stellgröße SG zu der Streckenantwort SW führt. Die Differenz von Stellgröße SG und der Vorwärtsmodellstreckenantwort SFM kann dann als Ein ^¬ gangsgröße zurück zum Regler R geführt werden (vergleiche Figur 2) .

Hierdurch wird bei der Regelung die Totzeit des Systems durch das Vorwärtsmodell kompensiert. Somit können die Reglerparameter derart gewählt werden, dass der Regler deutlich schneller reagiert .

Bezugs zeichenliste

Sl-Sll Schritte

50 Steuervorrichtung

FM Vorwärtsmodell

MG Messglied

R Regler

S Strecke

SA, SA1, SA2

SA4, SA5 Streckenantworten

SFM Streckenantwort des Vorwärtsmodells

SG Stellgröße

SW Sollwert

T_DLY erste Totzeit

tl zweite Totzeit

t2 dritte Totzeit

VAR1-VAR3 Beispiele des Vorwärtsmodells