Methoden zur Reduzierung dynamischer Gemischfehler

Abstract

Die Optimierung moderner Verbrennungsmotoren bezüglich der Abgasemissionen stellt die Entwickler der Steuergerätefunktionen in immer größerem Maß vor neue Anforderungen. Zur Erreichung einer hohen Konvertierungsrate des Katalysators muß die Gemischbildung in jedem Betriebspunkt zunehmend genauer gesteuert bzw. geregelt werden. Im Stationärbetrieb (konstante Drehzahl, konstantes Motormoment) wird dies weitgehend durch die Lambdaregelung realisiert. Im Instationärbetrieb sind jedoch zusätzliche Funktionen zur Berücksichtigung thermodynamischer und strömungsdynamischer Phänomene des Luft- und Kraftstoffpfades erforderlich. Den Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit bildet die Anwendung linearer und nichtlinearer Kalman-Filter, sowie Zustandsregelungen zur Verbesserung der instationären Gemischbildung bei konventionellen Ottomotoren. Aus steuerungstechnischer Sicht stellen das nichtlineare Befüll- und Entleerverhalten des Saugrohres, die instationären Temperatureffekte im Saugrohr, die Totzeit zwischen der Berechnung der Einspritzzeit und dem Schließzeitpunkt des entsprechenden Einlaßventiles, sowie die Dynamik des Wandfilmes die wesentlichen Ursachen für dynamische Gemischfehler dar. Die regelungstechnische Beschreibung dieser Effekte erfolgt in der Literatur in fast allen Arbeiten in Form von Mittelwertmodellen [Boam, Aqui, Wu, Benn, ...]. Darüber hinaus zeigen jedoch auch die den Mittelwerten überlagerten, deterministischen Störungen (Pulsationen) aufgrund der nichtlinearen Drosselwirkung an der Drosselklappe Einfluß auf die Befüllung des Saugrohres [Sche-1]. Sie können mit Hilfe eines signaltheoretischen Ansatzes berücksichtigt werden. Durch Lastsprünge verursachte, schnelle Druckänderungen bewirken starke, kurzzeitige Temperaturänderungen, welche unkompensiert nicht zu vernachlässigende Gemischfehler verursachen können. Zur Modellierung der Wandfilmeffekte existieren eine ganze Fülle von Arbeiten [Aqui, Fek, Tur,...] mit sehr unterschiedlichen physikalischen Einzelphänomenen als Grundlage. Die Annahme einer getrennten Wand- und Ventilfilmdynamik führt zu einem Modell zweiter Ordnung mit Durchgriff, welches über einen weiten Temperaturbereich mit hoher Genauigkeit parametriert werden kann. Es kann gezeigt werden, daß eine externe Abgasrückführung das vorgesteuerte Gemischverhältnis (angesaugte Luft und eingespritzter Kraftstoff) in Abhängigkeit der Abgasrückführrate beeinflußt. Dieser Nachweis stellt im Umkehrschluß ein einfaches Verfahren zur Bestimmung der AGR-Rate auf Basis der Bilanzierung von eingestelltem und an der Lambdasonde gemessenem Gemischverhältnis dar. Für ein saugrohrdruckbasiertes Einspritzsystem können zur Bestimmung der Zylinderluftmassen mit Hilfe eines Extended Kalman-Filters sowohl die deterministischen als auch die stochastischen Eigenschaften der Saugrohrdynamik berücksichtigt werden. Das Verfahren zeigt in seiner einfachsten Form (nichtlineares Systemmodell 2.Ordnung mit den beiden Zuständen Saugrohrdruck und Saugrohrtemperatur) ein nachteiliges Verhalten bei Parameterschwankungen. Die Einführung eines adaptiven Parameters steigert die Robustheit des Verfahrens erheblich. Darüber hinaus kann mit Hilfe dieses adaptiven Kalman-Filters zusätzlich Leckluft im Saugrohr identifiziert werden [Sche-4]. Die Transformation des Verfahrens in den Kurbelwinkelbereich ermöglicht die Modellierung der Saugrohrdruckpulsationen in den Systemgleichungen als deterministische, harmonische Überlagerung mit konstanter Frequenz. Die zusätzliche Berücksichtigung der Pulsationen liefert einen störungsfreien, hochdynamischen Druckmittelwert bei gleichzeitiger Bestimmung der instationären Saugrohrtemperatur. Die Prädiktion der Zylinderluftmasse (Last) zur Kompensation der Totzeit zwischen Einspritzzeitberechnung und Schließzeitpunkt des Einlaßventils (letzter möglicher Zeitpunkt für eine Laständerung) erfolgt bei konventioneller Technik entweder über einen additiven Luftmassenanteil in Abhängigkeit der Drosselklappenwinkeländerung, oder mit Hilfe einer (linearen) Extrapolation des Lastverlaufes. Als Alternative erfolgt die Prädiktion im Rahmen der vorliegenden Arbeit modellbasiert. Die Drosselklappenbewegung als wesentliche Störgröße und Ursache für eine schnelle Laständerung wird stochastisch analysiert und als farbiger Rauschprozeß modelliert. Ein mit Hilfe dieser Modellgleichungen entworfenes, lineares Kalman-Filter stellt mit seinen Schätzwerten die prädizierten Eingangsgrößen für ein Lasterfassungsverfahren zur Verfügung. Durch eine Anpassung des Prädiktionshorizontes an die Ventilsteuerzeiten unter Berücksichtigung der Vorlagerungswinkel kann eine zylinderindividuelle, korrigierte Lastprädiktion realisiert werden. Bei allen derzeit bekannten Lasterfassungsverfahren basiert die Luftmassenberechnung auf den Signalen eines ”Hauptlastsensors”, z.B. des Luftmassensensors oder des Saugrohrdrucksensors. Oft sind jedoch aufgrund von zusätzlichen Anforderungen (z.B. Diagnose) auch noch andere Sensoren mit wichtigen, redundanten Lastinformationen verfügbar, deren Signale bisher nicht zur primären Lastberechnung genutzt werden. Im Gegensatz zu dieser Sensordatenintegration bietet die Sensordatenfusion (multisensorielle Meßdatenverarbeitung) die Möglichkeit, redundante Informationen zu nutzen und das Schätzergebnis zu verbessern [Arndt-1, Arndt-2]. Diese Methode bietet auch bezüglich der Lasterfassungsproblematik Vorteile. Stehen mehrere Lastsensoren gleichzeitig zur Verfügung, so kann die Gewichtung der Sensorsignale durch die Modellierung der stochastischen Parameter an den Arbeitspunkt des Motors angepaßt werden. Im Falle eines Sensorausfalls erfolgt nach erkanntem Defekt und Anpassung der Parameter eine Rekonstruktion des fehlenden Signals ohne Strukturumschaltung des Modells [Sche-3]. Die Wandfilmdynamik zeigt ihre größten Auswirkungen auf die Gemischbildung bei tiefen Kühlwasser- und Ansauglufttemperaturen. Eine wesentliche Abhängigkeit der Dynamik von Drehzahl und Last kann nicht festgestellt werden. Als Kompensationsverfahren ist die Model-Matching Methode in der Praxis stark verbreitet. Dabei handelt es sich um eine reine Steuerung, bei der ein invertiertes Wandfilmodell als Vorsteuerglied eingesetzt wird [Benn]. Mit Hilfe einer Wandfilmkompensationsregelung können durch die zusätzlichen Informationen des Lambdasondensignales die Auswirkungen von Parameterschwankungen und Störungen gedämpft werden. Die Kompensationsregelung zeigt gegenüber der Model-Matching Methode ein robusteres Verhalten.

The improvement of the exhaust emissions of internal combustion engines is one of the most important challenges for the development of software for electronic control units. To operate the catalyst with high efficiency the air/fuel ratio (AFR) has to be exactly controlled in every operation point of the engine. At steady state (constant speed and torque) this can be realized in most cases with a closed loop lambda control. But in transient operation, additionally control functions are required in order to take consideration into the thermodynamic phenomenology of the air path and the fuel path of an IC-Engine. In response model based controllers have recently been developed for the compensation of the main thermodynamic effects in the manifold. However, these controllers are mostly open loop controllers with poor robustness against parameter variations. The main emphasis of this work is the design of new transient AFR-control strategies using linear and nonlinear Kalman-Filters. The realized strategy includes the determination of the in-cylinder air masses, the reduction of the effects from dead times in the fuel path and the compensation of the wall wetting dynamics. One elementary part is the development of control oriented physical models for the air path and the fuel path. Instead of using only mean value models for the air path, also event based deterministic perturbations (pulsations) were modeled with signal theory techniques. This perturbations are together with the nonlinear filling behavior of the manifold mostly the reason of a speed dependency during parametration of throttle models [Sche-1]. Load transients are able to cause temperature transients in the manifold of more than 30°C. This behavior is modeled and verified with vehicle experiments. The wall wetting dynamics are modeled with a second order lag with feed through term. The two time constants in this model are corresponding to the wall film dynamics and the valve film dynamics. If the engine is not operated at the stochiometric point the balance of controlled and measured air/fuel ratio changes with the rate of residual gas. This effect can easily be used to determine the residual gas ratio in the engine by comparing controlled and measured AFR. For a speed-density injection system an adaptive Extended Kalman-Filter was used to estimate the air masses in the cylinders. With an additional adaptive parameter for throttle tolerances, the algorithm is not only able to handle strong intake parameter variations but it can also identify air leakage in the manifold. The Kalman-Filter operates in crank angle domain and therefore the frequency of the considered perturbations is kept constant. The algorithm delivers high dynamic manifold pressure and temperature information and the air mass flow in and out of the manifold with small perturbations. Furthermore the methodology of sensor data fusing is applied to the application of air mass estimation also by using an Extended Kalman-Filter [Sche-3]. If several sensors are available that deliver information about a desired value the sensor data fusing algorithm combines the sensor signals and weights them dependent on a stochastic model. This kind of algorithm delivers very reliable estimates using redundant information. To reduce the effects of dead times in the fuel path (time between air mass calculation and closing of the intake valve) an air mass predictor was developed. In a first step this algorithm predicts the effective area of flow by assuming the throttle variation with a colored noise process. In a second step the predicted cylinder air masses are calculated with the results of the throttle predictor by using a free running air path model. Especially during engine start and at low temperatures the wall wetting dynamics have strong effects on AFR. Open loop dynamic compensators are often realized by using the model matching method. However this controllers have poor robustness in case of variations of the dynamic parameters. With a state space controller and observer the robustness can essentially be increased by using feedback from an Universal Exhaust Oxygen Sensor .