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Abstract

一种用于内燃机(2)的控制设备(1)，其具有一个功能，所述功能在考虑运行状态信息(FW、SB)、上限值和累积的实际量值的情况下确定指令变量(x(t))，所述指令变量(x(t))影响内燃机(2)的运行状态，从而调整多个实际量值，使得在一个运行时间段内累积的实际量值不会超过针对该运行时间段的上限值，在该运行时间段内具有由内燃机(2)的任意的、以随机顺序设定的不同运行状态的组合，其中，目标函数被最小化，方法是借助无差异曲线(I)从帕累托最优的备选中选出指令变量(x(t))。

Description

用于内燃机的控制设备
技术领域
本发明涉及一种用于内燃机的控制设备，其用于确定用于内燃机的至少一个指令变量。
背景技术
控制设备用于在车辆范围内控制重要的发动机功能。控制设备尤其也用于作为对设计手段例如燃烧室设计和通过喷射系统与喷射方法影响混合气形成的补充，在发动机运行中降低燃料消耗和与此关联的CO2排放以及重要的废气成分例如一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NOx)以及炭黑和颗粒。
控制设备的已知功能包含关于发动机运行状态的信息(例如转速、扭矩、期望扭矩、温度、DPF(柴油颗粒过滤器)负载)和确定的指令变量，该指令变量影响运行中的油耗和污染物排放。
为了确定指令变量通常也使用存储在控制设备中的发动机综合特性曲线，在其中储存有例如根据上述运行状态的理论废气再循环率或者理论进气压力。
合适的指令变量例如是废气再循环率、废气再循环分布、进气量、喷射时刻、点火时刻。从这些指令变量推导出调节值(例如节流阀位置、VTG(可变截面涡轮)的位置)。
术语“内燃机”在此包括带有所有机组、辅助机组和调节元件的完整的内燃机系统。
以此策略可以确保，在确定的速度特性中通过最优化地分配确定的指令变量不超过污染物排放限制。这种速度特性的一个示例是标准化的行驶循环，例如新欧洲行驶循环标准(NEFZ)，以该速度特性行驶用于确定废气和/或油耗值。对于这种循环例如已知有全局最优化方法，例如在Heiko序列：Emission Modelling and Model-Based Optimisation ofthe Engine Control(发动机控制的排放建模和基于模型的优化),D17达姆施塔特博士论文2012中说明。
在真实的行驶运行(必要时在所谓的实际行驶排放测试方法中)中发生任意的、不同的速度特性和运行状态，其在行驶前和行驶中都是未知的。因为单个运行状态与发动机控制无关联地已经具有不同的排放值，所以在任意的、不同的行驶特性的情况下油耗和排放值(l/100km或者说mg/km)也会部分地极大地上下偏差。因此，通过已知的控制策略不再给出在不超过排放上限的情况下对例如油耗或者CO2排放的全局优化。
尤其在排放量冲突时，例如在柴油机中的炭黑(颗粒)排放和氮氧化物排放之间出现的冲突时，会发生下述情况，其中，例如在速度特性中超过了允许的氮氧化物排放但是明显低于允许的炭黑排放。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种用于内燃机的具有下述功能的控制设备，控制设备至少部分地解决上文描述的问题并且适用于在实际行驶排放测试方法中在油耗和AdBlue(车用尿素或柴油机尾气处理液)消耗方面以及排放量方面优化的指令变量，例如废气再循环率(AGR率)、废气再循环分布(高压/低压)、进气量、蓄压管压力、还有废气后处理系统、例如柴油颗粒过滤器和SCR(选择性催化还原)的使用。
上述技术问题通过按照本发明的控制设备、按照本发明的内燃机和按照本发明的车辆解决。
本发明其他有利的设计方案由本发明的优选实施例的如下说明中得出。
按照本发明的内燃机控制设备在考虑运行状态信息、排放上限和累积的实际排放量值时确定指令变量(例如废气再循环率、废气再循环分布、进气程度)，该指令变量被传递给内燃机。
运行状态信息包括例如转速、当前扭矩、期望扭矩、温度、柴油颗粒过滤器负载和其他量值。
累积的实际排放量值包括所有在确定的运行时间段内由内燃机排出的排放物。
通过上述一个或者多个指令变量如此调整内燃机的至少一个运行状态，从而如此影响多个实际排放量值，使得在一个运行时间段内累积的实际排放量值不会超过针对该运行时间段的排放物上限值(mg/km)并且尽最大可能地减小目标函数，在该运行时间段内具有由内燃机的任意的、以随机顺序设定的不同运行状态的组合。在此，待最小化的或者说待优化的量被称为目标函数(例如燃料消耗或者说与其关联的CO2排放、各种废气处理系统例如炭黑颗粒过滤器、AdBlue消耗、NOX排放等，或者这些量的组合)。
术语“任意的”运行状态包括在内燃机的适当的正常运行中的、所有技术上有意义的运行状态。
因此，控制方案的优点在于，例如通过改变指令变量把不紧要的实际排放量值尽可能提高，紧要的实际排放量值尽可能减小，保证不达到或者在一个时间段内不超过针对紧要的实际排放量值的排放量排放限制水平(排放限制值)。
在一种实施方式中，一个或者多个指令变量在此通过无差异曲线从帕累托最优备选(例如从喷射量、实际排放和/或AdBlue配量)中选出。这按照启发式方法进行，启发式方法考虑累积的实际排放相对其界限水平的距离。在此方法中，指令变量被动态地和根据情况地确定或者说调整。
在此在一些实施方式中，运行状态信息包括至少一个转速(n)和理论扭矩(M)。
在一种实施方式中，实际排放量值包括以下至少两个量值。这些量值包括Nox排出量、HC排出量、CO排出量、CO2排出量、组合的HC和Nox排出量、炭黑颗粒数量、炭黑颗粒质量、柴油颗粒过滤器的状态、Nox存储催化器的状态。
在另一种实施方式中，指令变量包括以下至少一个作用在排放表现上的量值，即废气再循环率、废气再循环分布、进气量、点火时刻。由此得到的调节值在此包括下述量值之一，通过所述量值在现代发动机中能对预期的指令变量施加作用，这些量值包括节流阀位置、可变截面涡轮的设置、喷射时刻、凸轮轴调节。
在另一种实施方式中关注两个实际排放量值，确切地说尤其氮氧化物排出量和炭黑排出量，两者在柴油发动机中相冲突地关联。
借助具有按照本发明的控制设备的内燃机可以实现油耗值和排放值的改进。这种内燃机尤其适用于车辆。
附图说明
示例性地和参照附图地说明本发明的实施例。附图中：
图1示出具有按照本发明的控制设备的发动机系统的示意图；
图2示出输入量和输出量、以及按照本发明的控制设备的信息处理的示意图；
图3示出炭黑排放和NOx排放与废气再循环率关联的图表；
图4示出帕累托最优运用点，对运用点适用确定的炭黑排放和确定的NOx排放；
图5示出在确定的(升高的)累积NOx排放的情况下基于炭黑排放和NOx排放的关联通过无差异曲线选择指令变量；
图6示出在图5中所示的用于更低的累积NOx排放的选择；
图7示出在图5中所示的用于过高的累积NOx排放的选择；
图8示出在图5中所示的选择，其中，基于CO2排放和NOx排放的关联；
图9示出在图5中所示的通过非线性无差异曲线的选择。
具体实施方式
在图1中示出发动机简图，其通过按照本发明的控制设备1调节或者说控制。所示的是构造为活塞式发动机2(柴油机或者汽油机)的内燃机，活塞式发动机2通过阀门3和通过增压空气管路4充气并通过废气管路5排气。进入的空气通过空气过滤器6和具有可调节涡轮形状的废气涡轮增压器7，通过中间冷却器8经进气阀3进入气缸，必要时通过喷射系统向气缸导入燃料。在空气-燃料混合物的压缩和燃烧之后所产生的废气通过排气阀3经废气管路导出。
在此，压缩的废气经过废气涡轮增压器7，驱动废气涡轮增压器7并且以此压缩增压空气。接着，废气经过氮存储催化器10以及柴油颗粒过滤器11并且最后通过废气阀门12到达排气管13。
阀门3通过可调节的凸轮轴14驱动。该调节通过凸轮轴调节装置15进行，凸轮轴调节装置15可被控制设备1控制。
废气的一部分可以通过高压废气再循环阀16导入增压空气管路4。废气处理过的部分流量可以在废气涡轮增压器7之后的低压范围下通过相应的废气冷却装置17和废气再循环低压阀18导向增压空气管路4。废气涡轮增压器7的涡轮形状可以通过调节装置19设置。增压空气导入(“气”)通过主节流阀20调整。
通过控制设备1可以控制废气再循环低压阀18、调节装置19、主节流阀20、废气再循环高压阀16、凸轮轴调节装置15以及废气阀门12(实线)。
此外，控制设备1通过传感器和额定值探测器提供例如温度信息(中间冷却器8、废气冷却装置17)和实际排放值(例如来源于传感器或者物理/经验模型)。
对此还可以有其他运行状态信息，例如：加速踏板位置、节流阀位置、空气质量、电池电压、发动机温度、曲轴转速和上死点、变速器挡位、车辆速度。
以此构成整个控制和调节系统，其把在不同运行状态中的发动机运行在不同的目标值方面设置、调节和尽可能地优化。
下述实施例在此针对根据预定的排放上限和累积的实际值控制和调节排放值。
这种基础系统在图2中示出。在此控制设备1确定一个或者多个对影响排放必要的和有效的指令变量x(t)。
从其中得到调节值，调节值在内燃机2或者内燃机组件中(例如主节流阀20的设置、凸轮轴调节、废气涡轮增压器7的涡轮形状设置、废气阀门12的设置)影响内燃机的排放(例如NOx、HC、CO、炭黑)。这都作为质量流(排放率)EmDS被检测(例如单位时间的质量mg/s)。由这些排放可以推导出排放的累积实际值EmK(排放率关于时间的积分)。
控制设备1根据累积的实际排放量值EmK与经历的运行时间t或者说驶过的路程s、已知的或者说预定的排放上限EmG和关于驾驶员意愿FW(例如加速度：aSoll；扭矩：MSoll)的信息和内燃机2的其他运行条件SB(例如速度：v；转速：n)一起确定一个或者多个指令变量x(t)。
图3示例性示出NOx排放和炭黑排放根据废气再循环率(AGR)的关联，其在此构成指令变量x(t)。该图表示出，通过提高废气再循环尽管能降低NOx排放，但是炭黑排放在此升高了。
图4示出具有确定的炭黑排放的指令变量组合的图表，就确定的NOx排放记录炭黑排放。现在的任务例如是，在(任意的)运行状态中最小化/降低炭黑排放，但是在此要保持(累积的)NOx极值，对于过去的(必要时任意的、以随机顺序设置的不同的)运行状态必须考虑排放历史(累积的实际排放量值EMK)。
仅当NOx排放被升高时炭黑排放才进一步降低的帕累托最优目标量组合通过点x表示。所有的帕累托最优目标量组合构成所谓的帕累托边界，帕累托边界把点x相互连接。在最小化问题中，在帕累托边界左下方的点(阴影区域)是不能实现的，并且所有设置在右上方的目标量组合不是帕累托最优的，因为具有可以不仅在炭黑排放方面也在NOx排放方面更有利地在帕累托边界上实现的各组合(点x)。
图5中示出从两个目标量(NOx排放和炭黑排放)的帕累托最优目标量组合中的选择。在右侧柱状图中给出NOx-G(虚线)作为排放上限EmG，下方所示的柱形在阴影区域中示出至今累积的NOx排放NOx-K1作为累积的实际排放量值EmK。因为累积的NOx排放NOx-K1已经相当靠近NOx极值NOx-G，所以在此选择在目标量炭黑排放和NOx排放之间相当高的交换率(炭黑排放提高，利于较少的NOx)，以便不超过NOx极值NOx-G。在此期望的交换率通过无差异曲线I给出，无差异曲线I在此相当陡峭地向下倾斜地示出，然后向下一个目标量组合移动，其中对于该工作点可以实现确定的炭黑排放和确定的NOx排放。然后借助在图3中图表示出的信息为该目标量组合分配废气再循环作为合适的帕累托最优指令变量x(t)。
图6示出示例，其中，累积的NOx排放(NOx-K2)位于NOx极值NOx-G之下更远。在此，无差异曲线I的交换率更小(直线平缓向下倾斜)。因此在此可以考虑更高的NOx排放，而不会发生超过NOx极值NOx-G的危险。以此可以把炭黑排放保持得更低。平缓延伸的直线向下一个目标量组合移动，在下一个目标量组合上可以用对应的指令变量x(t)(在此为图3中相应的废气再循环)实现确定的NOx排放和相应的炭黑排放。
图7示出示例，其中，累积的NOx排放(NOx-K3)已经超过NOx极值NOx-G。在此，直线I(垂直的无差异曲线)的交换率类似为无穷。不考虑炭黑排放程度地选择最小化NOx排放的指令变量x(t)。
图8示出类似于图5的示例，其中，根据累积的NOx排放把CO2最小化。
图9示出类似于图5的示例，其中，无差异曲线非线性地延伸。
通过所示方法可以在运行中并且根据自身变化的边界条件改进排放值(目标函数)。除了在此所示的必须成对地考虑排放量的问题之外，所述方法也可以扩展到多维度问题。因此可以实现，确定用于多成分组合(例如用于CO2排出值、炭黑排放和NOx排放)的帕累托最优指令变量x(t)。还可以确定其他的指令变量x(t)(例如可变截面涡轮的位置或者蓄压管压力)帕累托最优地用于调节，作为对指令变量废气再循环的补充。
附图标记列表
1 控制设备
2 活塞式发动机
3 阀门
4 增压空气管路
5 废气管路
6 空气过滤器
7 废气涡轮增压器
8 中间冷却器
9 气缸
10 氮存储催化器
11 柴油颗粒过滤器
12 废气阀门
13 排气管
14 凸轮轴
15 凸轮轴调节装置
16 废气再循环高压阀门
17 废气冷却装置
18 废气再循环低压阀门
19 调节装置
20 主节流阀
x(t) 指令变量
NOx-G 极值
NOx-K1 累积的实际值
FW 驾驶员意愿
SB 其他运行条件
EmG 排放上限
EmK 累积的实际排放量值
EmDS 实际排放量值，排放率
I 无差异曲线

Claims (8)

1.一种用于内燃机(2)的控制设备(1)，其具有一个功能，所述功能在使用内燃机的运行状态信息(FW、SB)、上限值和累积的实际量值的情况下确定指令变量(x(t))，所述指令变量(x(t))包括废气再循环率、废气再循环分布、进气量、增压压力、喷射时刻、点火时刻或蓄压管压力中的至少一个量值，所述指令变量(x(t))影响内燃机(2)的运行状态，从而调整多个实际量值，使得在一个运行时间段内累积的实际量值不会超过针对该运行时间段的上限值，在该运行时间段内具有由内燃机(2)的任意的、以随机顺序设定的不同运行状态的组合，其中，目标函数被最小化，方法是借助无差异曲线(I)从帕累托最优的备选中选出指令变量(x(t))，所述目标函数包括实际排放量值(EmDS)和/或燃料消耗中的至少一个。
2.按照权利要求1所述的控制设备(1)，其中，所述运行状态信息(FW、SB)包括转速(n(t))和理论扭矩(MSoll(t))。
3.按照权利要求1所述的控制设备(1)，其中，所述运行时间段和不同的行驶的运行状态是已知的。
4.按照权利要求1至3中任一项所述的控制设备(1)，其中，所述实际排放量值(EmDS)包括以下至少两个量值：Nox排出量、HC排出量、CO排出量、CO2排出量、组合的HC和Nox排出量、炭黑颗粒数量、炭黑颗粒质量、AdBlue消耗。
5.按照权利要求1至3中任一项所述的控制设备(1)，其中，使用至少两个实际排放量值(EmDS)。
6.按照权利要求5所述的控制设备(1)，其中所述实际排放量值(EmDS)是Nox排出量和炭黑排出量。
7.一种内燃机(2)，具有按照权利要求5或6所述的控制设备(1)。
8.一种车辆，具有按照权利要求7所述的内燃机(2)。
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