CN110741148B - 用于基于模型地开环控制和闭环控制内燃机的方法 - Google Patents

Abstract

提出用于基于模型地开环控制和闭环控制内燃机（1）的方法，在所述方法中，取决于期望力矩通过燃烧模型（19）计算用于操控喷入系统调节机构的喷入系统期望值并且通过气体路径模型（20）计算用于操控气体路径调节机构的气体路径期望值，在所述方法中，由优化器（21）取决于喷入系统期望值和气体路径期望值计算性能指标，由优化器（21）通过在预测区间之内改变喷入系统期望值和气体路径期望值使性能指标最小化并且在所述方法中，由优化器（21）按照最小化的性能指标将喷入系统期望值和气体路径期望值设定为对于设定内燃机（1）的运行点决定性的。

Description

用于基于模型地开环控制和闭环控制内燃机的方法

技术领域

本发明涉及一种用于基于模型地开环控制和闭环控制内燃机的方法，其中取决于期望力矩通过燃烧模型计算用于操控喷入系统调节机构的喷入系统期望值并且通过气体路径模型计算用于操控气体路径调节机构的气体路径期望值。

背景技术

内燃机的特性决定性地通过马达控制器取决于功率期望（Leistungswunsches）来确定。为此，在马达控制器的软件中运用相应的特性曲线和特性曲线族。通过其由功率期望、例如期望力矩计算内燃机的调节变量、例如喷射开始和所需的轨道压力。所述特性曲线/特性曲线族在内燃机的制造商方面在试验台上装备有数据。然而，大量这些特性曲线/特性曲线族以及特性曲线/特性曲线族相互的相关导致高的校准耗费（Abstimmungsaufwand）。

因此在实践中，校准耗费尝试通过使用数学模型来减少。由此，例如DE102006004516B3描述一种用于确定喷入量的具有概率表的贝叶斯网络以及US2011/0172897A1描述一种用于借助于神经网络通过燃烧模型来匹配喷射开始以及喷射量的方法。在此关键的是，仅仅在试验台运行时才必须被学习的经训练的数据被描述。

由US2016/0025020A1已知一种用于内燃机的气体路径的基于模型的闭环控制方法。气体路径不仅包括空气侧而且包括废气侧连同废气引回部（Abgas-Rückführung）。在方法的第一步骤中，由气体路径的测量变量、例如增压空气温度或NOx浓度来确定内燃机的当前的运行状况。

然后在第二步骤中同样由测量变量通过气体路径的物理模型在预测区间之内计算性能指标。然后由性能指标和运行状况又在第三步骤中确定用于气体路径的调节机构的操控信号。所说明的方法仅仅关于气体路径并且基于线性化的气体路径模型。由线性化所决定地，信息损失不能够避免。

发明内容

因此，本发明基于如下任务，研发一种用于在高的性能（Güte）的情况下基于模型地开环控制和闭环控制整个内燃机的方法。

所述任务通过权利要求1的特征解决。设计方案在从属权利要求中示出。

所述方法在于，取决于期望力矩通过燃烧模型计算用于操控所述喷入系统调节机构的喷入系统期望值并且通过气体路径模型计算用于操控所述气体路径调节机构的气体路径期望值，并且由优化器取决于所述喷入系统期望值和所述气体路径期望值计算性能指标。此外，所述方法在于，由所述优化器通过在预测区间之内改变所述喷入系统期望值和气体路径期望值使所述性能指标最小化并且由所述优化器按照最小化的性能指标将所述喷入系统期望值和气体路径期望值设定为对于调整（Einstellung）所述内燃机的运行点决定性的。

最小化的性能指标通过如下方式计算，由优化器在第一时间点计算第一性能指标，在第二时间点在预测区间之内预测第二性能指标并且接着确定这两个性能指标的偏差。如果该偏差小于极限值，则由优化器将第二性能指标设定为最小化的性能指标。极限值观测就此而言是中止准则（Abbruchkriterium），因为继续的最小化不会引起还更精确的匹配。代替极限值观测，也能够将能够预设的、重新计算（Neuberechnungen）的数量设定为中止准则。

然后按照最小的性能指标，由优化器间接地将用于下置的轨道压力闭环控制回路的轨道压力期望值以及直接地将用于操控喷射器的喷射开始以及喷射结束预设为喷入系统期望值。然后补充性地，由优化器间接地预设气体路径期望值、例如λ期望值用于下置的λ闭环控制回路并且预设AGR期望值用于下置的AGR闭环控制回路。

不仅燃烧模型而且气体路径模型将内燃机的系统特性描述为数学方程式。其一次地按照参考内燃机在试验台运行、所谓的DoE试验台运行（DoE：Design of Experiments）中或由仿真试验确定。因为对于一个并且同一个内燃机种类例如能够描绘不同的排放目标，所以校准耗费（Abstimmungsaufwand）以决定性程度地减少。静态的和瞬态的运行、例如在发电机运行（Generatorbetrieb）中的负荷接入（Lastaufschaltung）的情况下的区分是不再需要的。此外，期望力矩在遵守排放极限值的情况下精确地被调整。模型能够单个地被校准，其中，模型总体地描述内燃机。能够由此省去迄今所需的特性曲线和特性曲线族。

附图说明

在图中示出出优选的实施例。其中：

图1示出系统图解，

图2示出基于模型的系统图解，

图3示出程序流程图，以及

图4示出时间线图。

具体实施方式

图1示出具有共轨系统的电子地控制的内燃机1的系统图解。共轨系统包括下列机械的构件：用于输送源自燃料箱2的燃料的低压泵3、用于影响流动通过的燃料体积流的能够改变的抽吸式节流件4、用于在压力提高的情况下输送燃料的高压泵5、用于存储燃料的轨道6和用于将燃料喷入到内燃机1的燃烧室中的喷射器7。可选地，共轨系统也能够实施有单个存储器，那么其中，例如在喷射器7中集成有单个存储器8作为附加的缓冲体积。共轨系统的另外的功能性被假设为已知的。

所示出的气体路径（Gaspfad）不仅包括空气引入部而且包括废气导出部。在空气引入部中布置有废气涡轮增压机11的压缩机、增压空气冷却器12、节流阀13、用于聚集增压空气与引回的废气的通入部位14和进气阀15。除了排气阀16之外，在废气引导部中还布置有AGR调节机构（AGR-Stellglied）17、废气涡轮增压机11的涡轮机和涡轮机旁路阀18。

内燃机1的运行方式通过电子的控制器10（ECU）确定。电子的控制器10含有微计算机系统的通常的组成部分、例如微处理器、I/O结构块、缓冲器和存储器结构块（EEPROM、RAM）。在存储器结构块中，将对于运行内燃机1而言有关的运行数据运用为模型。通过所述模型，电子的控制器10由输入变量计算出输出变量。在图1中范例性地示出下列输入变量：通过操作者预设的期望力矩M（SOLL）、借助于轨道压力传感器9测量的轨道压力pCR、马达转速nIST、增压空气压力pLL、增压空气温度TLL、增压空气的湿度phi、废气温度TAbgas、空气燃料比例λ、NOx实际值、可选地单个存储器8的压力pES和输入变量EIN。另外的没有示出的传感器信号、例如冷却剂温度概括为输入变量EIN。在图1中，作为电子的控制器10的输出变量而示出：用于操控抽吸式节流件4的信号PWM、用于操控喷射器7（喷射开始/喷射结束）的信号ve、用于操控节流阀（Drosselklappe）13的调节信号DK、用于操控AGR调节机构17的调节信号AGR、用于操控涡轮机旁路阀18的调节信号TBP和输出变量AUS。输出变量AUS代表性地表示用于开环控制和闭环控制内燃机1的另外的调节信号、例如表示用于在分级增压的情况下激活第二废气涡轮增压机的调节信号。

图2示出基于模型的系统图解。在该图示中，在电子的控制器10之内列举有燃烧模型19、气体路径模型20和优化器21。不仅燃烧模型19而且气体路径模型20将内燃机的系统特性描述为数学方程式。燃烧模型19静态地描述在燃烧时的过程。与此不同地，气体路径模型20描述空气引导（Luftführung）和废气引导(Abgasführung)的动态的特性。燃烧模型19含有例如用于NOx和炭黑产生、用于废气温度、用于废气质量流和用于峰值压力（Spitzendruck）的单个模型。这些单个模型又取决于气缸中的边界条件以及喷入的参数。燃烧模型19在参考内燃机中在试验台运行、所谓的DoE试验台运行（DoE：Design ofExperiments）中被确定。在DoE试验台运行中，运行参数和调节变量系统地以如下目标变化，即使得内燃机的总特性取决于马达的变量和环境边界条件进行描述。

优化器21评估燃烧模型19，更确切地说鉴于内燃机的期望力矩M（SOLL）、排放极限值、环境边界条件、例如增压空气的湿度phi和运行状况方面评估燃烧模型。通过马达转速nIST、增压空气温度TLL、增压空气压力pLL等来定义运行状况。优化器21的功能现在在于评价用于操控喷入系统调节机构的喷入系统期望值以及用于操控气体路径调节机构的气体路径期望值。在此，优化器21选出如下的解，在其中使性能指标（Gütemaß）最小化。所述性能指标被计算为在预测区间之内的期望实际偏差的二次幂的积分。例如以如下形式：

。

其中，w1、w2和w3意味着相应的权重因数。已知地，氮氧化物排放由增压空气的湿度phi、增压空气温度、喷射开始SB和轨道压力pCR得出。

通过如下方式最小化性能指标，即由优化器21在第一时间点计算第一性能指标，使喷入系统期望值以及气体路径期望值变化并且按照其在预测区间之内预测第二性能指标。按照这两个性能指标相对彼此的偏差，优化器21然后确定最小的性能指标并且将所述最小的性能指标设定为对于内燃机决定性的。针对在图中示出的示例，这对于喷入系统是期望轨道压力pCR（SL）和喷射开始SB以及喷射结束SE。期望轨道压力pCR（SL）是用于下置的（unterlagert）轨道压力闭环控制回路22的参考变量（Führungsgröße）。轨道压力闭环控制回路22的调节变量相应于用于施加抽吸式节流件的PWM信号。直接地对喷射器（图1：7）施加以喷射开始SB和喷射结束SE。针对气体路径，优化器21间接地确定气体路径期望值。在所示出的示例中，这是用于针对这两个下置的闭环控制回路23和24进行预设的λ期望值LAM（SL）和AGR期望值AGR（SL）。引回的测量变量MESS由电子的控制器10读入。测量变量MESS不仅能够被理解成直接地测量的物理变量而且能够被理解成由其计算出的辅助变量。在所示出的示例中，读入λ实际值LAM（IST）和AGR实际值AGR（IST）。

在图3中以程序流程图来示出方法。在S1中初始化之后，在S2中检查，起动过程是否结束。如果所述起动过程仍运行，询问结果S2：否，则返回分支到点A。如果起动过程结束，则在S3中读入能够由操作者预设的期望力矩M（SOLL）和NOx期望值NOx（SOLL）。接着，在S4中探测内燃机的运行状况。运行状况通过测量变量、尤其通过马达转速nIST、增压空气温度TLL、增压空气压力pLL、增压空气的湿度phi等定义。在S5中，子程序优化器被调用并且在S6中产生起始值、例如喷射开始SB。第一性能指标J1按照方程式（1）在S7中进行计算并且在S8中将控制变量（Laufvariable）i设定到零。此后，在S9中，起始值被改变并且计算为用于调节变量的新的期望值。在S10中，将控制变量i提高了一。按照新的期望值，然后在S11中在预测区间之内、例如针对下一个8秒来预测第二性能指标J2。在S12中，第二性能指标J2又减去第一性能指标J1并且与极限值GW进行比较。通过这两个性能指标的差运算检验性能指标的继续的进展（Fortschritt）。备选地，按照控制变量i与极限值iGW的比较来检查，优化已经被遍历过了多少次。这两种极限值观测就此而言是用于继续的优化的中止准则。如果继续的优化是可行的，询问结果S12：否，则返回分支到点C。否则在S13中由优化器将第二性能指标J2设定为最小的性能指标J（min）。然后由最小的性能指标J（min）得到用于针对相应的调节机构进行预设的喷入系统期望值和气体路径期望值。接着，在S14中检查，是否开始马达停止。如果这不是这种情况，询问结果S14：否，则返回分支到点B。否则程序流程图结束。

在图4中示出时间线图。图4包括图4A至4D。在此，图4A示出氮氧化物排放NOx的走向，图4B以度示出喷射开始SB在上止点（OT）之前的曲柄轴角度，图4C示出λ期望值LAM（SL）的走向以及图4D示出期望轨道压力pCR（SL）。在t0之前的时间范围相应于过去。预测区间、例如8s相应于t0至t0+tp的时间范围。以ts表示计算时间，其中新的期望值、例如喷射开始SB由电子的控制器给出。在所示出的示例中，从恒定的期望力矩M（SOLL）出发。

在时间点t0设定喷射开始SB=8°的起始值、λ期望值LAM（SL）=1.9以及期望轨道压力pCR（SL）=1500bar。NOx期望值走向NOx（SL）在图4A中被预设。由这些起始值产生相应地大的期望实际偏差dNOx，参见图4A。NOx实际值取决于在空气路径中的测量的空气压力和喷射开始SB来计算。优化器通过方程式（1）在时间点t0计算第一性能指标J1。接着，优化器计算喷射开始SB、λ期望值LAM（SL）和期望轨道压力pCR（SL）在预测区间（t0+tP）之内的改变会如何对期望实际偏差dNOx产生影响，例如方式为：期望轨道压力逐步地提高直至pCR（SL）=2000bar。优化器在每个所示出的时间点求得第二性能指标J2。然后通过这两个性能指标的减法以及极限值观测使性能指标最小化，也就是说，检查继续的优化是否是有成功希望的。对于所示出的示例，优化器对于时间点t0+4求得最小的性能指标，这在图4A中在NOx实际值NOx（IST）对NOx期望值NOx（SL）的靠近中得到反映。

附图标记列表

1 内燃机

2 燃料箱

3 低压泵

4 抽吸式节流件

5 高压泵

6 轨道

7 喷射器

8 单个存储器

9 轨道压力传感器

10 电子的控制器

11 废气涡轮增压机

12 增压空气冷却器

13 节流阀

14 通入部位

15 进气阀

16 排气阀

17 AGR调节机构（AGR：废气引回部）

18 涡轮机旁路阀

19 燃烧模型

20 气体路径模型

21 优化器

22 轨道压力闭环控制回路

23 λ闭环控制回路

24 AGR闭环控制回路。

Claims (4)

1.用于基于模型地开环控制和闭环控制内燃机（1）的方法，其中取决于期望力矩（M（SOLL））通过燃烧模型（19）计算用于操控喷入系统调节机构的喷入系统期望值并且通过气体路径模型（20）计算用于操控气体路径调节机构的气体路径期望值，其中由优化器（21）取决于所述喷入系统期望值和所述气体路径期望值计算性能指标（J），由所述优化器（21）通过在预测区间之内改变所述喷入系统期望值和气体路径期望值使所述性能指标（J）最小化并且其中由所述优化器（21）按照最小化的性能指标（J（min））将所述喷入系统期望值和气体路径期望值设定为对于调整所述内燃机（1）的运行点决定性的，

其特征在于，

所述性能指标（J）通过如下方式被最小化，由所述优化器（21）在第一时间点计算第一性能指标（J1），在第二时间点在所述预测区间之内预测第二性能指标（J2），确定由第一性能指标（J1）和第二性能指标（J2）构成的偏差并且在其中所述偏差变得小于极限值（GW）的情况下，由所述优化器（21）将所述第二性能指标（J2）设定为最小化的性能指标（J（min）），或者

所述性能指标（J）通过如下方式被最小化，由所述优化器（21）在所述第一时间点计算所述第一性能指标（J1），在所述第二时间点在所述预测区间之内预测所述第二性能指标（J2）并且在遍历过能够预设的数量（i）的重新计算之后，由所述优化器（21）将所述第二性能指标（J2）设定为最小化的性能指标（J（min））。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由所述优化器（21）间接地预设用于下置的轨道压力闭环控制回路（22）的轨道压力期望值（pCR（SL））作为喷入系统期望值。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，由所述优化器（21）直接地预设用于操控喷射器（7）的喷射开始（SB）和喷射结束（SE）作为喷入系统期望值。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由所述优化器（21）间接地预设用于下置的气体路径闭环控制回路（23、24）的气体路径期望值。

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