WO2025190838A1

WO2025190838A1 - Verfahren zur regelung eines verbrennungsluftverhältnisses einer brennkraftmaschine sowie steuergerät

Info

Publication number: WO2025190838A1
Application number: PCT/EP2025/056403
Authority: WO
Inventors: Jaroslav Lipa; Sebastian VIEHÖVER; Dusan Zaric
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2024-03-13
Filing date: 2025-03-10
Publication date: 2025-09-18
Anticipated expiration: 2026-09-13
Also published as: DE102024202377B3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Verbrennungsluftverhältnisses einer Brennkraftmaschine (100), aufweisend die folgenden Schritte: (a) Bestimmen einer Regelantwort (121) auf eine Regelabweichung (120) mittels eines ersten Reglers (111), wobei die Regelabweichung (120) einer Abweichung zwischen einem Ist-Wert (118) einer Regelgröße (135) und einem Soll-Wert (119) der Regelgröße (135) entspricht und die Regelgröße (135) charakteristisch für das Verbrennungsluftverhältnis ist; (b) Umsetzen der Regelantwort (121) mittels einer Stellgröße (122) als ein Eingang einer Regelstrecke (113); (c) Empfangen einer durch die Regelantwort (121) bedingten Veränderung (143, 144) der Regelgröße (135), welche an oder nach einem Ausgang der Regelstrecke (113) mittels eines Messglieds (117) gemessen wird; (d) Vergleichen der gemessenen Veränderung (143, 144) der Regelgröße (135) mit einem Modell; und (e) Verändern, insbesondere Reduzieren, oder Beibehalten der Regelantwort (121) mittels eines zweiten Reglers (112) in Abhängigkeit von dem Vergleich. Weiterhin betrifft die Erfindung ein entsprechendes Steuergerät (104) und Computerprogramm.

Description

BESCHREIBUNG

Verfahren zur Regelung eines Verbrennungsluftverhältnisses einer Brennkraftmaschine sowie Steuergerät

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Offenbarung betrifft Verfahren zur Lambda-Regelung einer Brennkraftmaschine sowie entsprechende Steuergeräte, die eingerichtet sind, derartige Verfahren durchzuführen.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Bei der unvollständigen Verbrennung eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Verbrennungsmotor werden neben Stickstoff, Kohlendioxid und Wasser auch andere gasförmige Verbrennungsprodukte produziert. Dabei gibt es beispielsweise in Bezug auf die Emission von Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid und Stickoxiden gesetzliche Beschränkungen. Bei der Verwendung eines Drei-Wege-Katalysators (TWC) in einem Abgassystem des Verbrennungsmotors werden diese Emissionen zu Stickstoff, Kohlendioxid und Wasser umgewandelt.

Jedoch ist eine solche Konvertierung nur in einem stöchiometrischen Betriebspunkt optimal, welcher durch ein Verbrennungsluftverhältnis Lambda gleich eins gekennzeichnet ist. Um diesen Betriebspunkt zu erreichen, wird in einem Motorsteuergerät des Verbrennungsmotors eine Lambdaregelung durchgeführt. Die Lambdaregelung basiert typischerweise auf den Signalen von Lambdasonden vor und hinter dem Drei-Wege-Katalysator. Für die Lambdaregelung vor dem Dreiwegekatalysator, die sogenannte Vorkatregelung, wird der Sauerstoffgehalt des Abgases vor dem Katalysator mittels einer linearen Lambdasonde gemessen. Abhängig von dem Messwert korrigiert die Regelung die eingespritzte Kraftstoffmenge aus der Vorsteuerung des Verbrennungsmotors. Mit dem Signal der zweiten Lambdasonde hinter dem Katalysator kann die Genauigkeit weiter verbessert werden.

Die Qualität der Vorkatregelung spielt eine wichtige Rolle für die Genauigkeit, Geschwindigkeit und Stabilität der Lambdaregelung. Diese Regelungseigenschaften haben wiederum direkten Einfluss auf die Emissionen, weil jede Abweichung von einem vorgegebenen Lambdazielwert oder Lambdasollwert Emissionen verursacht. Insbesondere im Hinblick auf neue, immer strengere Emissionsgesetzgebung hat eine optimale Lambdaregelung daher eine große Bedeutung.

Für die Vorkatregelung wurden bisher häufig PI-Regler eingesetzt, welche jedoch unter bestimmten Betriebsbedingungen Stabilitätsprobleme haben. Derartige Stabilitätsprobleme können beispielsweise zu einer ständigen oder systematischen Abweichung von dem Lambdazielwert führen, wodurch sich auch die Schadstoff-Emissionen des Verbrennungsmotors verschlechtern. Zudem kann der Motorlauf unstabil werden, was die Akustik des Verbrennungsmotors oder auch die Fahreigenschaften des Fahrzeugs beeinträchtigen kann.

Schlimmstenfalls können unkontrollierte Oszillationen erheblichen Schaden am Antriebssystem oder am gesamten Fahrzeug verursachen.

Aus den genannten Gründen werden heutzutage für die Lambdaregelung meistens robuste Regler mit einer langsamen Regelantwort eingesetzt. Dies geht jedoch zu Lasten einer optimalen Regelantwort und führt im Allgemeinen zu höheren Emissionen.

KURZDARSTELLUNG UND AUSFÜHRUNGSFORMEN

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein Verfahren zur Regelung eines Verbrennungsluftverhältnisses einer Brennkraftmaschine und ein entsprechendes Steuergerät bereitzustellen, welche eine schnelle, genaue, aber zugleich auch robuste Regelung ermöglichen, insbesondere um Emissionen der Brennkraftmaschine zu verringern. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren sowie ein Steuergerät gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den jeweils abhängigen Ansprüchen, der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen.

So wird gemäß einem ersten Aspekt ein Verfahren zur Regelung eines Verbrennungsluftverhältnisses einer Brennkraftmaschine bereitgestellt. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: (a) Bestimmen einer Regelantwort auf eine Regelabweichung mittels eines ersten Reglers, wobei die Regelabweichung einer Abweichung, insbesondere einer Differenz, zwischen einem Ist-Wert einer Regelgröße und einem Soll-Wert der Regelgröße entspricht und die Regelgröße charakteristisch für ein Verbrennungsluftverhältnis ist; (b) Umsetzen der Regelantwort mittels einer Stellgröße als ein Eingang einer Regelstrecke; (c) Empfangen einer durch die Regelantwort bedingten Veränderung der Regelgröße, welche an oder nach einem Ausgang der Regelstrecke mittels eines Messglieds gemessen wird; (d) Vergleichen der gemessenen Veränderung der Regelgröße mit einem Modell; und (e) Verändern, insbesondere Reduzieren, oder Beibehalten der Regelantwort mittels eines zweiten Reglers in Abhängigkeit von dem Vergleich.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Steuergerät mit einem ersten Regler und einem zweiten Regler bereitgestellt, welches eingerichtet ist, das zuvor beschriebene Verfahren durchzuführen.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Computerprogramm bereitgestellt, welches Befehle umfasst, die bei der Ausführung des Computerprogramms durch einen Computer diesen veranlassen, das zuvor beschriebene Verfahren durchzuführen.

Im Kontext der vorliegenden Offenbarung ist eine Regelstrecke beispielsweise definiert als derjenige Teil eines Regelkreises, der das zu regelnde System oder den zu regelnden Prozess enthält. Der oder die Regler des Regelkreises können eingerichtet sein, über eine oder mehrere Stellgrößen auf die Regelstrecke einzuwirken. Wenn die Stellgröße eine Kraftstoffeinspritzung in eine Brennkraftmaschine charakterisiert und die Regelgröße ein Verbrennungsluftverhältnis oder Lambda charakterisiert, kann die Regelstrecke beispielsweise den physikalischen Zusammenhang zwischen Kraftstoffeinspritzung in die Brennkraftmaschine und Messung des Verbrennungsluftverhältnisses in einem der Brennkraftmaschine nachgeschalteten Abgassystem beschreiben.

Im Kontext der vorliegenden Offenbarung ist eine Stellgröße beispielsweise definiert als Ausgangsgröße eines Reglers und/oder als Eingangsgröße der Regelstrecke. Die Stellgröße kann geeignet sein, die Regelgröße zu beeinflussen. Mittels der Stellgröße kann eine Regelantwort des Reglers umsetzbar sein. Beispielsweise kann die Stellgröße eine Kraftstoffeinspritzung charakterisieren.

Im Kontext der vorliegenden Offenbarung ist eine Regelgröße beispielsweise definiert als eine Ausgangsgröße der Regelstrecke. Es kann sich um eine zu regelnde Größe handeln, die beispielsweise derart zu regeln ist, dass sie mit einem vorgegebenen Soll-Wert oder Soll-Verlauf übereinstimmt. Die Regelgröße kann etwa ein Verbrennungsluftverhältnis oder Lambda sein. Das Verbrennungsluftverhältnis kann das Verhältnis von Luft zu Brennstoff im Vergleich zu einem verbrennungsstöchiometrischen Gemisch sein oder charakterisieren. Bei dem verbrennungsstöchiometrischen Gemisch kann es sich um ein optimales Verhältnis zwischen den Reaktionspartnern handeln, beispielsweise brennbare Stoffe und Sauerstoff als Oxidationsmittel.

Im Kontext der vorliegenden Offenbarung ist ein Messglied beispielsweise definiert als ein Messgerät am oder nach dem Ausgang der Regelstrecke, welches insbesondere eingerichtet ist, die Regelgröße direkt oder indirekt zu bestimmen. Das Messglied kann eingerichtet sein, Messwerte zu bestimmen, aus denen sich entsprechende Werte der Regelgröße ableiten lassen. Das Messgerät kann ganz oder teilweise zur Regelstrecke gehören oder aber getrennt von der Regelstrecke ausgebildet sein. Zum Beispiel kann das Messglied ein Messgerät sein, welches eingerichtet ist, einen Sauerstoffgehalt in einem Abgas der Brennkraftmaschine zu bestimmen, woraus sich das Verbrennungsluftverhältnis zumindest näherungsweise herleiten lässt.

Die zuvor beschriebene Vorrichtung und/oder das zuvor beschriebene Verfahren können vorteilhaft sein, um eine schnelle, genaue und gleichzeitig robuste Regelung zu ermöglichen.

Insbesondere bei Ungenauigkeiten in den Modellparametern für den ersten Regler oder bei Störeinflüssen auf die Regelstrecke und/oder das Messglied, etwa bei einer alternden Lambdasonde oder beim Austausch der Lambdasonde, kann ein auf schnelle oder optimale Regelung ausgelegter erster Regler Stabilitätsprobleme aufweisen. Der Regelkreis kann umso weniger stabil sein, je größer die Ungenauigkeit oder die Störung ausfallen. Infolgedessen kann bei einer Instabilität die Anpassung des Regelkreises derart beeinträchtigt sein, dass ein Ist-Regelwert eine ständige Abweichung vom Soll-Regelwert oder Soll-Regelverlauf zeigt. Das kann wiederum zu erhöhter Schadstoffemission führen.

Um derartigen Stabilitätsproblemen entgegenzuwirken, wird die gemessene Veränderung der Regelgröße mit einem Modell, beispielsweise einem Modell der Regelstrecke und/oder des Messglieds, verglichen, woraufhin ein zweiter Regler die Regelantwort verändert, insbesondere reduziert, oder beibehält in Abhängigkeit von dem Vergleich. Mit anderen Worten sind die durch den Vergleich bestimmten Modellabweichungen ein Anzeichen für mögliche Instabilitäten in der Regelung. Sofern solche Modellabweichungen ermittelt werden, kann die Regelantwort entsprechend geändert werden, insbesondere reduziert werden. Beispielsweise kann die Regelantwort verlangsamt werden oder ihre Amplitude reduziert werden. Dadurch kann die Robustheit der Regelung beim Auftreten von Stabilitätsproblemen erhöht werden.

Dadurch kann nicht nur die Schadstoffemission reduziert werden, sondern es kann auch der Motorlauf unter einem breiten Spektrum von Betriebsbedingungen stabilisiert werden und damit beispielsweise die Fahrakustik oder insgesamt die Fahreigenschaften verbessert werden. Weiterhin können im Sinne des Systemkomponentenschutzes schädliche Oszillationen des Antriebssystems oder des Fahrzeugs vermieden oder zumindest verringert werden.

Gemäß einer Ausführungsform ist oder umfasst das Modell ein Modell der Regelstrecke und/oder des Messglieds. Dabei können lediglich für die Regelgröße relevante Aspekte der Regelstrecke und/oder des Messglieds modelliert sein. Es kann sich demnach um ein sehr abstraktes Modell handeln, welches beispielsweise nur wenige mathematische Formeln umfasst, beispielsweise Polynomfunktionen n-ter Ordnung, und/oder eine oder mehrere Tabellen. Das Modell kann beispielsweise ein System n-ter Ordnung mit Totzeit sein, insbesondere ein System erster Ordnung mit Totzeit. Der erste Regler kann basierend auf dem Modell die Regelantwort bestimmen.

Gemäß einer Ausführungsform entspricht die Abweichung zwischen dem Ist-Wert der Regelgröße und dem Soll-Wert der Regelgröße einer Differenz. Andere funktionale Abhängigkeiten sind ebenfalls möglich.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Stellgröße charakteristisch für eine in die Brennkraftmaschine eingespritzte Kraftstoffmenge. Eine derartige Ausführungsform kann vorteilhaft sein, weil die eingespritzte Kraftstoffmenge eine typische Stellgröße bei Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses darstellt.

Gemäß einer Ausführungsform ist das Messglied eine Lambdasonde, welche einen Sauerstoffgehalt in einem Abgas der Brennkraftmaschine misst. Derartige Lambdasonden zur indirekten Messung des Verbrennungsluftverhältnisses werden typischerweise in der Lambdaregelung verwendet.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Lambdasonde in einem Abgasstrang der Brennkraftmaschine stromaufwärts eines Katalysators, insbesondere eines Drei- Wege-Katalysators, angeordnet. Die Lambdasonde ist also zwischen Brennkraftmaschine und Katalysator angeordnet. Mit anderen Worten handelt es sich bei der zugehörigen Lambda-Regelung um eine sogenannte Vorkat- Regelung. Diese kann für ein emissionsarmes Betreiben des Katalysators vorteilhaft sein. Gemäß einer Ausführungsform werden Modellparameter des Modells zumindest teilweise durch eine Diagnose der Lambdasonde, d.h. der tatsächlich im Abgassystem eingesetzten Lambdasonde, oder einer nominalen Lambdasonde ermittelt. Für die nominale Lambdasonde kann eine Produktionstoleranz berücksichtigt sein. Eine derartige Kalibrierung des Modells kann vorteilhaft sein, um kostspielige erneute Diagnosen für eine Modelladaption zu vermeiden.

Gemäß einer Ausführungsform wird der zweite Regler basierend auf nominalen Streckenparametern kalibriert. Eine derartige Ausführungsform kann vorteilhaft sein, um weitere Parameteridentifikation und Modelladaption zu vermeiden.

Zudem ist keine neue Diagnose erforderlich, um die Adaption zu überwachen. Die vorhandene Diagnose des ersten Reglers auf minimal/maximal plausiblen Stelleneingriff ist weiterhin gültig. Gemäß einer Ausgestaltung beruht die automatische Einstellung der Regelungsstrategie zwischen Optimalität und Robustheit nur auf der Unbestimmtheit des Modells.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Modell ein Modell der Regelstrecke und/oder des Messglieds und umfasst das Vergleichen: Modellieren einer Vergleichs-Regelantwort, indem ein zu dem Modell inverses Modell auf die gemessene Veränderung der Regelgröße angewendet wird, und Vergleichen der Vergleichs-Regelantwort mit der Regelantwort. Eine solche Ausführungsform kann vorteilhaft sein, um etwaige Abweichungen vom Modell zu quantifizieren und mögliche Regelungs-Instabilitäten effektiv auszugleichen.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Modell ein Modell der Regelstrecke und/oder des Messglieds und umfasst das Vergleichen: Modellieren einer Vergleichs-Veränderung der Regelgröße mittels des Modells der Regelstrecke abhängig von der Regelantwort und Vergleichen der Vergleichs-Veränderung der Regelgröße mit der gemessenen Veränderung der Regelgröße. Eine solche Ausführungsform kann vorteilhaft sein, um etwaige Abweichungen vom Modell zu quantifizieren und mögliche Regelungs-Instabilitäten effektiv auszugleichen. Gemäß einer Ausführungsform wird bei dem Vergleichen eine durch die Regelstrecke bestimmte Totzeit berücksichtigt, insbesondere durch ein Totzeitglied des zweiten Reglers. Eine derartige Totzeit kann entweder durch das Modell oder separat von dem Modell modelliert sein. In letzterem Fall wäre ein zeitlicher Verlauf in dem Modell nicht berücksichtigt und die Modellierung des Regeleingriffs wäre zeitsynchron. Eine derartige Ausführungsform kann vorteilhaft sein, um Veränderungen der Stellgröße und entsprechende Auswirkungen auf die Regelgröße zeitlich zuordnen zu können.

Gemäß einer Ausgestaltung entspricht oder korreliert die Totzeit mit einer Laufzeit von der Einspritzung des Kraftstoffs bis zur Messung des zugehörigen Lambda- Werts durch das Messglied.

Gemäß einer Ausführungsform wird bei dem Vergleichen ein Maß für eine Abweichung der gemessenen Veränderung der Regelgröße von dem Modell bestimmt und das Verändern, insbesondere das Reduzieren, der Regelantwort erfolgt in Abhängigkeit von dem Maß. Gemäß einer Ausgestaltung wird die Regelantwort umso stärker reduziert, je größer die durch das Maß bestimmte Abweichung. Die Abhängigkeit zwischen Maß und Reduktion der Regelantwort kann monoton oder streng monoton sein. Eine derartige Ausführungsform kann vorteilhaft sein, weil größere Abweichungen eine stärkere Reaktion erfordern, um Instabilitäten in der Regelung zu vermeiden.

Gemäß einer Ausführungsform wird das Verändern oder Beibehalten der Regelantwort durch ein Filterglied bestimmt, welches eine Sensitivität und/oder eine Geschwindigkeit charakterisiert, insbesondere in Bezug auf das Verändern oder Beibehalten der Regelantwort. Gemäß einer Ausgestaltung weist das Filterglied einen Tiefpassfilter auf.

Gemäß einer Ausführungsform ist das Maß charakteristisch für eine Differenz zwischen der mittels der Stellgröße umgesetzten Regelantwort und der Vergleichs-Regelantwort und/oder für eine Differenz zwischen der gemessenen Veränderung der Regelgröße und der Vergleichs-Veränderung der Regelgröße. Gemäß einer Ausführungsform ist das Maß indikativ für eine Ungenauigkeit eines oder mehrerer Modellparameter des Modells und/oder für eine von dem Modell zumindest nicht vollständig berücksichtigte Störgröße der Regelstrecke. Im Kontext der vorliegenden Offenbarung ist eine Störgröße beispielsweise definiert als eine auf die Regelstrecke und/oder das Messglied einwirkende Größe, welche geeignet ist, die Regelgröße zu beeinflussen. Ein ungenauer Modellparameter kann beispielsweise aus einer Alterung oder einem Austausch des Messglieds, etwa einer Lambda-Sonde, resultieren. Eine Störgröße kann beispielsweise eine von außen wirkende Beschädigung des Messglieds sein, die ein pulsierendes Signal der Lambda-Sonde verursacht.

Gemäß einer Ausführungsform ist der zweite Regler eingerichtet, in Abhängigkeit von dem Maß die Robustheit der Regelung zu erhöhen. Mit anderen Worten zielt der erste Regler auf eine „optimale“, insbesondere schnelle, Regelung, während der zweite Regler eingerichtet ist, den ersten Regler im Hinblick auf eine „robuste“, insbesondere unter vielen Betriebsbedingungen stabile, Regelung zu korrigieren.

Gemäß einer Ausführungsform basiert die Regelantwort des ersten Reglers auf dem Modell, insbesondere dem Modell der Regelstrecke und/oder des Messglieds. Eine derartige Ausführungsform kann vorteilhaft sein, weil der zweite Regler die Regelantwort insbesondere dann verändert, wenn die Regelantwort des ersten Reglers auf fehlerhaften Modellannahmen beruht. Insbesondere unter derartigen fehlerhaften Modellannahmen sind Instabilitäten in der Regelung zu erwarten.

Gemäß einer Ausführungsform ist der erste Regler derart konfiguriert, dass eine Anstiegszeit, eine Überschwingweite, eine Ausregelzeit und ein Zustandsfehler oder stationärer Fehler für die Regelantwort berücksichtigt werden. Dabei kann die Anstiegszeit gegenüber den anderen Parametern bevorzugt sein. Die Überschwingweite kann gegenüber den verbleibenden Parametern, d.h. außer Anstiegszeit, bevorzugt sein. Eine derartige Ausführungsform kann eine „optimale“ Regelung charakterisieren. Gemäß einer Ausführungsform ist der zweite Regler eingerichtet für das Verändern, insbesondere das Reduzieren, der Regelantwort zumindest eine der folgenden Maßnahmen vorzunehmen: eine Anstiegszeit zu erhöhen; eine Überschwingweite zu verringern; einen Zustandsfehler oder stationären Fehler zu verringern. Die Anstiegszeit, die Überschwingweite und/oder der stationäre Fehler können die gemessene Veränderung der Regelgröße betreffen. Eine derartige Ausführungsform kann vorteilhaft sein, weil die genannten Maßnahmen alle zur Robustheit der Regelung beitragen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfahrens sowie des Steuergeräts ergeben sich aus den folgenden, in Zusammenhang mit den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen.

Es zeigen:

Figur 1 eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasstrang und einem Steuergerät gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;

Figuren 2 und 3 jeweils Regelkreise für Verfahren zur Regelung eines Verbrennungsluftverhältnisses gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;

Figuren 4 bis 6 verschiedene Aspekte eines Vergleichs zwischen optimaler und robuster Regelung bei Verfahren zur Regelung eines Verbrennungsluftverhältnisses gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.

Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. In manchen Figuren sind einzelne Bezugszeichen zur Verbesserung der Übersichtlichkeit weggelassen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder für eine bessere Verständlichkeit übertrieben groß dargestellt sein. DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN

Figur 1 zeigt einen Verbrennungsmotor oder Brennkraftmaschine 100 sowie ein an die Brennkraftmaschine 100 gekoppeltes Abgassystem 101. Das Abgassystem 101 umfasst einen Drei-Wege-Katalysator 103 sowie stromabwärts und stromaufwärts von dem Katalysator 103 jeweils eine Lambdasonde 102. Die zwischen der Brennkraftmaschine 100 und dem Drei-Wege-Katalysator 103 angeordnete Lambdasonde 102 ist eine lineare Lambdasonde, welche eingerichtet ist, den Sauerstoffgehalt des Abgases vor dem Drei-Wege-Katalysator 103 zu messen. Auf Grundlage dieses Messwerts wird von einem Steuergerät 104 die Lamdaregelung vor dem Drei-Wege-Katalysator 103, d.h. die sogenannte Vorkat-Regelung, vorgenommen. Abhängig von dem Messwert wird durch das Steuergerät 104 die Regelung der Kraftstoffmenge aus der Vorsteuerung der Brennkraftmaschine 100 korrigiert. Für eine höhere Genauigkeit wird zusätzlich das Signal der zweiten Lambdasonde 102 stromabwärts des Drei-Wege- Katalysators 103 berücksichtigt.

Figuren 2 und 3 zeigen Schaltbilder oder Regelkreise 110 von Verfahren, die von dem in Figur 1 gezeigten Steuergerät 104 zur Vorkat-Regelung durchgeführt werden. In Figur 2 ist die Vorkat-Regelung als Kaskadenregelung mit zwei Teilen bzw. zwei Reglern dargestellt. Der erste Regler 111 ist ein optimaler Regler und der dem ersten Regler 111 nachgeschaltete zweite Regler 112 ist ein robuster Regler. Die Regelantwort des zweiten Reglers wird als Eingang der Regelstrecke 113 verwendet. Eine Regelgröße am Ausgang der Regelstrecke 113 wird einerseits an den zweiten Regler 112 zurückgemeldet und andererseits mit einer Führungsgröße verglichen, wobei die Abweichung der Regelgröße von der Führungsgröße als Eingang des ersten Reglers 111 dient.

Mit dem optimalen Regler 111 ist ein Regler gemeint, der definierte Kriterien in Bezug auf Regelungsqualität erfüllt. Dies kann zum Beispiel ein IMC (Internal Model Regulator), MPC (Model Predictive Regulator), LQR (linear quadratic Regulator) oder ein PI Regler, insbesondere ein optimal kalibrierter PI Regler, sein. Regelungsqualität bezieht sich unter anderem auf die Signalmetriken Anstiegszeit (rise time), Anteil Überschwingung (percent overshoot), Ausregelzeit (settling time) und stationärer Fehler (steady state error), welche eine Abweichung vom Lambdazielwert charakterisieren und damit auch die Emissionen beeinflussen können.

In Figur 3 ist im Vergleich mit Figur 2 der robuste Regler 112 in mehrere Bestandteile aufgegliedert, darunter das inverse Modell 114, das Totzeitglied 115, der Filter 116, das Vergleichselement 124 und das Reduktionselement 125. Die Regelstrecke 113 kann als ein System n-ter Ordnung mit Totzeit beschrieben werden, insbesondere als System erster Ordnung mit Totzeit. Eine Ungenauigkeit in den Parametern des Modells oder eine unbekannte Störung durch eine Störgröße 123 in der Regelstrecke 113 kann als Unbestimmtheit des Systems bezeichnet werden.

Der robuste Regler kompensiert diese Unbestimmtheit zumindest teilweise. Dafür rekonstruiert das inverse Modell 114 den Regeleingriff aus dem mittels des Messglieds 117 gemessenen Lambdasignal. Im dargestellten Regelkreis 110 ist die Modellierung durch das inverse Modell 114 zeitsynchron. Weil die Regelstrecke 113 jedoch eine Zeitverzögerung zwischen Eingang und Ausgang beinhaltet, muss diese Verzögerung durch das Totzeitglied 115 kompensiert werden. An dem Vergleichselement 124 wird demnach ein verzögerter Eingang der Regelstrecke 113 mit dem aus dem Ausgang der Regelstrecke rekonstruierten Regeleingriff verglichen.

Der Filter 116 definiert die Dynamik und Sensitivität der Kompensation, abhängig von der durch das Vergleichselement 124 festgestellten Abweichung zwischen dem tatsächlichen und dem rekonstruierten Regeleingriff. Als Filter 116 kann beispielsweise ein Tiefpass-Filter benutzt werden. In einem idealen Fall, wenn die Unbestimmtheit gleich Null ist, liefert der robuste Regler keine Kompensation über das Reduktionselement 125, weil an dem Vergleichselement 124 keine Abweichung zwischen rekonstruiertem Regeleingriff und verspäteten aktiven Regelreingriff anliegt. Der Regelkreis verhält sich gewissermaßen optimal. Wenn allerdings die Unbestimmtheit steigt, kompensiert der robuste Regler den Ausgang des ersten Reglers 111 bzw. des optimalen Reglers, damit der Regelkreis 110 stabil bleibt.

Der erste Regler 111 empfängt einen mittels des Messglieds 117 bestimmten Istwert 118 der Regelgröße sowie einen Sollwert 119 der Führungsgröße. Aus dem Vergleich des Istwerts 118 mit dem Sollwert 119 wird eine Regelabweichung 120 als Eingang des ersten Reglers 111 gebildet. In Antwort auf die Regelabweichung 120 bestimmt der erste Regler 111 eine erste Regelantwort 121 , die danach in Abhängigkeit von der am Reduktionselement 125 bestimmten Modellabweichung und der daraus durch den Filter 116 ermittelten Kompensation verändert oder beibehalten wird, um eine zweite Regelantwort 121 des zweiten Reglers zu bilden. Die zweite Regelantwort 121 wird mittels einer Stellgröße 122 als Eingang der Regelstrecke 123 umgesetzt, um als Ausgang der Regelstrecke 123 einen Istwert 118 der Regelgröße zu erhalten, der mittels des Messglieds 117 gemessen wird. Durch die Kombination aus dem ersten optimalen Regler 111 und dem zweiten robusten Regler wird eine präzise und stabile Regelung des Istwerts 118 auf den Sollwert 119 ermöglicht.

Figur 4 zeigt die Reaktion über die Zeit 130 des Istwerts 118 der Regelgröße 135 auf eine sprunghafte Änderung des Sollwerts 119 der Führungsgröße von einem kleineren konstanten Wert auf einen größeren konstanten Wert. Nach der Änderung des Sollwerts 119 verändert sich der Istwert 118 in Richtung des geänderten Sollwerts 119. Die Zeit bis zum Erreichen des geänderten Sollwerts wird durch die Anstiegszeit 131 charakterisiert. Die Anstiegszeit 131 kann basierend auf einer Tangente an dem Verlauf des Istwerts 118 bei dem Schnittpunkt mit dem geänderten Sollwert 119 definiert sein. Eine Überschwingung des Istwerts 118 nach dem Schnittpunkt mit dem geänderten Sollwert 119 ist durch die Überschwingweite 133 charakterisiert. Die Überschwingweite 133 kann als größte Amplitude einer Abweichung von dem geänderten Sollwert 119 oder von einem Beharrungswert des Istwerts 118 nach dem Schnittpunkt definiert sein. Nach einer oder mehreren Oszillationen des Istwerts 118 um den geänderten Sollwert 119 nähert sich der Istwert 118 dem Sollwert 119 an. Die Gesamtzeit dieser Annäherung ausgehend von dem Zeitpunkt der Änderung des Sollwerts 119 ist durch die Ausregelzeit 132 charakterisiert. Mögliche Abweichungen des Istwerts 118 vom Sollwert 119 nach der Ausregelzeit 132 werden als stationärer Fehler 134 oder Zustandsfehler bezeichnet. Figur 5 zeigt einen Regeleingriff bei einer Unbestimmtheit. Durch den robusten Regler wird die Regelantwort 141 des optimalen Reglers auf die robuste Regelantwort 142 reduziert. Dadurch wird, wie in Figur 6 dargestellt, die Regelung beispielsweise bei einer sprunghaften Änderung des Sollwerts 119 von einer optimalen Regelung 143 mit schneller Anstiegszeit hin zu einer robusten Regelung 144 mit langsamer Anstiegszeit, aber geringer Überschwingweite und kleinem stationären Fehler angepasst.

Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Ausführungsbeispielen und Patentansprüchen beinhaltet.

BEZUGSZEICHEN

100 Brennkraftmaschine

101 Abgasstrang

102 Lambdasonde

103 Katalysator

104 Steuergerät

110 Regelkreis

111 erster Regler

112 zweiter Regler

113 Regelstrecke

114 inverses Modell

115 Totzeitglied

116 Filter

117 Messglied / Lambdasonde

118 Ist-Wert der Regelgröße

119 Soll-Wert der Regelgröße / Führungsgröße

120 Regelabweichung

121 Regelantwort

122 Stellgröße

123 Störgröße

124 Vergleichselement

125 Reduktionselement

130 Zeit

131 Anstiegszeit

132 Ausregelzeit

133 Überschwingweite

134 stationärer Fehler

135 Regelgröße

141 Regelantwort des ersten Reglers

142 Regelantwort des zweiten Reglers

143 Regelgröße zu Regelantwort des ersten Reglers

144 Regelgröße zu Regelantwort des zweiten Reglers

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1 . Verfahren zur Regelung eines Verbrennungsluftverhältnisses einer Brennkraftmaschine (100), aufweisend die folgenden Schritte:

- Bestimmen einer Regelantwort (121 ) auf eine Regelabweichung (120) mittels eines ersten Reglers (111), wobei die Regelabweichung (120) einer Abweichung zwischen einem Ist-Wert (118) einer Regelgröße (135) und einem Soll-Wert (119) der Regelgröße (135) entspricht und die Regelgröße (135) charakteristisch für das Verbrennungsluftverhältnis ist;

- Umsetzen der Regelantwort (121 ) mittels einer Stellgröße (122) als ein Eingang einer Regelstrecke (113);

- Empfangen einer durch die Regelantwort (121 ) bedingten Veränderung (143, 144) der Regelgröße (135), welche an oder nach einem Ausgang der Regelstrecke (113) mittels eines Messglieds (117) gemessen wird;

- Vergleichen der gemessenen Veränderung (143, 144) der Regelgröße (135) mit einem Modell; und

- Verändern, insbesondere Reduzieren, oder Beibehalten der Regelantwort (121 ) mittels eines zweiten Reglers (112) in Abhängigkeit von dem Vergleich.

2. Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Stellgröße (122) charakteristisch für eine in die Brennkraftmaschine (100) eingespritzte Kraftstoffmenge ist.

3. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Messglied (117) eine Lambdasonde (117) ist, welche einen Sauerstoffgehalt in einem Abgas der Brennkraftmaschine (100) misst.

4. Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Lambdasonde (117) in einem Abgasstrang (101 ) der Brennkraftmaschine (100) stromaufwärts eines Katalysators (103), insbesondere eines Drei-Wege-Katalysators, angeordnet ist.

5. Verfahren gemäß Anspruch 3 oder 4, wobei Modellparameter des Modells zumindest teilweise durch eine Diagnose der Lambdasonde (117) oder einer nominalen Lambdasonde ermittelt werden.

6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Modell ein Modell der Regelstrecke (113) und/oder des Messglieds (117) umfasst und das Vergleichen umfasst: Modellieren einer Vergleichs-Regelantwort, indem ein zu dem Modell inverses Modell (114) auf die gemessene Veränderung (143, 144) der Regelgröße (135) angewendet wird, und Vergleichen der Vergleichs-Regelantwort mit der Regelantwort (121 ).

7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Modell ein Modell der Regelstrecke (113) und/oder des Messglieds (117) umfasst und das Vergleichen umfasst: Modellieren einer Vergleichs-Veränderung der Regelgröße (135) mittels des Modells abhängig von der Regelantwort (121) und Vergleichen der Vergleichs-Veränderung der Regelgröße (135) mit der gemessenen Veränderung (143, 144) der Regelgröße (135).

8. Verfahren gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei bei dem Vergleichen eine durch die Regelstrecke (113) bestimmte Totzeit berücksichtigt wird, insbesondere durch ein Totzeitglied (115) des zweiten Reglers (112).

9. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei dem Vergleichen ein Maß für eine Abweichung der gemessenen Veränderung (143, 144) der Regelgröße (135) von dem Modell bestimmt wird und das Verändern, insbesondere das Reduzieren, der Regelantwort (121 ) in Abhängigkeit von dem Maß erfolgt.

10. Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, sofern rückbezogen auf einen der Ansprüche 6 bis 8, wobei das Maß charakteristisch ist für eine Differenz zwischen der mittels der Stellgröße (122) umgesetzten Regelantwort (121 ) und der Vergleichs-Regelantwort und/oder für eine Differenz zwischen der gemessenen Veränderung (143, 144) der Regelgröße (135) und der Vergleichs- Veränderung der Regelgröße (135).

11 . Verfahren gemäß Anspruch 9 oder 10, wobei das Maß indikativ ist für eine Ungenauigkeit eines oder mehrerer Modellparameter des Modells und/oder für eine von dem Modell zumindest nicht vollständig berücksichtigte Störgröße (123) der Regelstrecke (113).

12. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Regelantwort (121 ) des ersten Reglers (111 ) auf dem Modell basiert.

13. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Regler (112) eingerichtet ist, für das Verändern, insbesondere das Reduzieren, der Regelantwort (121 ) zumindest eine der folgenden Maßnahmen vorzunehmen: eine Anstiegszeit (131 ) zu erhöhen; eine Überschwingweite (133) zu verringern; einen Zustandsfehler oder stationären Fehler (134) zu verringern.

14. Steuergerät (104) mit einem ersten Regler (111 ) und einem zweiten Regler (112), welches eingerichtet ist, das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.

15. Computerprogramm, welches Befehle umfasst, die bei der Ausführung des Computerprogramms durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 durchzuführen.