CN115720605A

CN115720605A - 用于基于模型地控制和调节内燃机的方法

Info

Publication number: CN115720605A
Application number: CN202180038060.0A
Authority: CN
Inventors: J·尼迈耶; R·盖塞尔哈特; K·格赖兴; D·伯格曼
Original assignee: Rolls Royce Solutions Ltd
Current assignee: Rolls Royce Solutions Ltd
Priority date: 2020-05-27
Filing date: 2021-05-25
Publication date: 2023-02-28
Also published as: DE102020003174B4; EP4158176A1; US11788484B2; DE102020003174A1; WO2021239752A1; US20230093283A1

Abstract

本发明提出一种用于基于模型地控制和调节内燃机的方法，其中，由优化器在第一步骤中取决于运行情况（BS）计算出经预先优化的品质尺度（J（VO）），其中，在计算所述经预先优化的品质尺度（J（VO））时，将具有离散的调整值的离散的调校参数解释为具有连续的调整范围的连续的调校参数（SG（k）），其中，在第二步骤中，对所述连续的调校参数（SG（k））进行数值化并且设定为具有离散的调整值的新的离散的调校参数（SG（新）），其中，由所述优化器在第三步骤中取决于所述新的离散的调校参数（SG（新））和内燃机（1）的运行情况（BS）计算出经再优化的品质尺度（J（NA））并且由所述优化器（21）将所述经再优化的品质尺度（J（NA））设定为对于内燃机（1）的运行点是决定性的。

Description

用于基于模型地控制和调节内燃机的方法

技术领域

本发明涉及一种用于基于模型地控制和调节内燃机的方法，其中，由优化器计算出品质尺度（Gütemaß）并且将其设定为对于内燃机的运行点是决定性的。

背景技术

内燃机的特性决定性地通过马达控制仪器取决于性能期望来确定。为此，在马达控制仪器的软件中通常应用有相应的特征线和特征区。通过所述特征线和特征区，从性能期望中计算出内燃机的调校参数，例如喷射开始和必要的轨道压力。所述特征线/特征区在内燃机制造商处在试验台上被配备数据。然而，大量所述特征线/特征区和特征线/特征区彼此间的相互关系导致高的调谐消耗。

因此，在实践中，尝试通过应用数学模型来降低调谐消耗。由此，例如DE 10 2006004 516 B3描述了一种具有概率表的贝叶斯网络用于确定喷入量，并且US 2011/0172897A1描述了一种用于通过燃烧模型借助于神经网络来适配喷射开始以及喷射量的方法。由于在此描绘了经训练的数据，所以其必须首先在试验台运行时进行学习。

从DE 10 2017 005 783 A1中已知一种用于基于模型地控制和调节内燃机的方法，其中，通过燃烧模型来计算用于喷入系统调校环节的理论值并且通过气路模型来计算用于气路调校环节的理论值。不仅燃烧模型而且气路模型基于高斯过程模型。优化器又从理论值中确定出品质尺度并且预测该品质尺度在理论值发生改变时在预测界线之内会如何发展。若计算出最可行的品质尺度，则优化器将喷入系统理论值和气路理论值设定为对于内燃机的运行点是决定性的。

在试验台试验中已呈现出，将具有离散的切换状态的调校参数结合到之前描述的基于模型的方法中还不能令人满意。具有离散的切换状态的调校参数例如应该理解为：第二废气涡轮增压器在分级增压（Registeraufladung）的情况下的接入、气缸边缘关闭（Zylinderbank-Abschaltung）、预先喷入或再喷入的激活和各种阀门的打开或关闭位置。用于在离散的调校参数的情况下进行最优求解的所谓的分支限界法（Branch- undBoundverfahren）是很计算消耗的，因为在最坏的情况下，必须研究离散的调校参数的所有的组合可行性。其在内燃机中的应用很快导致很复杂的结构，这不能够呈现在马达控制仪器上。

发明内容

本发明基于如下任务，即对之前所描述的关于调校参数的结合的基于模型的方法进行改善。

所述任务通过权利要求1的特征来解决。设计方案在从属权利要求中呈现。

该方法以三个步骤进行实施。在第一步骤中，优化器取决于运行情况计算处经预先优化的品质尺度，其中，具有离散的调整值的离散的调校参数被解释为具有连续的调整范围的连续的调校参数。经预先优化的品质尺度是计算参数，也就是说，其没有接到内燃机。然后，在第二步骤中，所述连续的调校参数被数值化并且被设为具有离散的调整值的新的离散的调校参数。根据切换阈连同滞后进行所述数值化。最终，然后在第三步骤中由优化器取决于新的离散的调校参数和内燃机的运行情况来计算出经再优化的品质尺度，并且将其设定为对于内燃机的运行点是决定性的。然而，在计算该经再优化的品质尺度时，新的离散的调校参数被假设为固定不变的。就此而言，其对于在预测的界线之内的优化不再呈现自由度。其余的连续的调校参数如下地被重新优化，使得关于固定的新的调校参数的解是最可行的。

内燃机的运行情况不仅应该被理解为外部的框架条件、尤其排放边界值或性能期望，而且应该被理解为当前的运行点。不仅经预先优化的品质尺度而且经再优化的品质尺度通过如下方式来确定，即通过燃烧模型来计算用于操控喷入系统调校环节的喷入系统理论值、例如理论轨道压力，通过气路模型来计算用于操控气路调校环节的气路理论值并且接着由优化器以求最小值为目标来改变所述理论值。

本发明在用于所应用的优化方法的受限的计算能力的情况下允许具有部分值连续的并且部分值离散的输入参数的优化任务的求解。代替对调校参数进行并行计算（如其对于实施分支限界法所必要的那样），本发明应用串行算法。首先，由此品质尺度和从其中得出的用于调校参数的值能够完全在马达控制仪器上得到计算。

附图说明

在图中示出优选的实施例。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示出方框图，

图4示出程序流程图，

图5示出子程序，

图6示出子程序，

图7示出子程序，

图8示出时间线图，以及

图9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控制的内燃机1的系统图解。共轨系统包括如下机械部件：用于从燃料箱2输送燃料的低压泵3、用于影响穿流的燃料体积流的可变的吸取节流件4、用于在压力升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，共轨系统还能够实施有单个存储器，那么其中，例如单个存储器8作为附加的缓冲容积集成在喷射器7中。共轨系统的另外的功能性假设为已知的。所示出的气路不仅包括空气引入部而且包括废气引走部。在空气引入部中布置有：废气涡轮增压器11的压缩机、增压空气冷却器12、节流阀门13、用于将增压空气与引回的废气结合的通入部位14和能够可变操控的进入阀15。在废气引导部中布置有：能够可变操控的排出阀16、AGR调校环节17、废气涡轮增压器11的涡轮和涡轮旁通阀18。

内燃机1的运行方式通过电子控制仪器10（ECU）来确定。电子控制仪器10包含微型计算机系统的通常的组成部件，例如微处理器、I/O模块、缓冲器和存储模块（EEPROM、RAM）。在存储模块中，对于内燃机1的运行相关的运行数据被应用为模型。通过所述模型，电子控制仪器10从输入参数中计算出输出参数。在图1中，示范性地示出如下输入参数：由操作者预设的理论力矩M（理论）、借助于轨道压力传感器9测量的实际轨道压力pCR、马达转速n实际、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T废气、空燃比λ，NOx实际值、可选地单个存储器8的压力pES和输入参数“入”（EIN）。另外的未示出的传感器信号（例如冷却剂温度）被概括为输入参数“入”。在图1中，作为电子控制仪器10的输出参数示出：用于操控吸取节流件4的信号PWM、用于操控喷射器7的信号ve（喷射开始/喷射结束）、用于操控节流阀门13的调校信号DK、用于操控进入阀或排出阀的调校信号VVT、用于操控AGR调校环节17的调校信号AGR、用于操控涡轮旁通阀18的调校信号TBP和输出参数“出”（AUS）。输出参数“出”代表性地代表用于控制和调节内燃机1的另外的调校信号，例如代表用于在分级增压的情况下激活第二废气涡轮增压器的调校信号。在图1的图示中，例如节流阀门13、AGR调校环节17、涡轮旁通阀18或吸取节流件4能够借助连续的调校信号进行操控并且因此能够在连续的值范围中进行调整。与此相对地，离散的调校参数会是用于激活第二废气涡轮增压器的调校信号，因为所述调校信号仅仅能够接受单个的离散的值，也就是说，不存在中间值。

图2示出基于模型的系统图解。在所述图示中，在电子控制仪器10之内举出燃烧模型19、气路模型20和优化器21。不仅燃烧模型19而且气路模型20将内燃机的系统特性描绘为数学等式，例如以高斯过程模型的形式。燃烧模型19静态地描绘在燃烧时的过程。与此不同地，气路模型20描绘空气引导部和废气引导部的动态特性。燃烧模型19包含单个模型，所述单个模型例如用于NOx和炭黑形成、用于废气温度、用于废气质量流和用于喷射压力。所述单个模型又取决于在气缸中的边界条件和喷入参数。燃烧模型19在参考内燃机中在试验台运行、即所谓的DoE试验台运行（DoE：Design of Experiments，试验的设计）中确定。在DoE试验台运行中，运行参数和调校参数系统地以如下目标进行变化，即取决于马达参数和环境边界条件来描绘内燃机的总特性。优化器21对燃烧模型19进行评估，更确切地说关于理论力矩M（理论）、排放边界值、环境边界条件（例如增压空气的湿度phi）和内燃机的运行情况进行评估。运行情况通过马达转速n实际、增压空气温度TLL、增压空气压力pLL等进行界定。现在，优化器21的功能在于对用于操控喷入系统调校环节的喷入系统理论值和用于操控气路调校环节的气路理论值进行估计。在此，优化器21选出如下解，在所述解的情况下，品质尺度被最小化。品质尺度被计算为理论-实际偏差的平方在预测界线之内的积分。例如以如下公式：

。

在此，w1、w2和w3是指相应的权重因子。已知的是，从增压空气的湿度phi、增压空气温度TLL、喷射开始SB和轨道压力pCR中得出氮氧化物排放。

由优化器21通过求最小值以如下方式算出最可行的品质尺度，即在第一时间点时计算出第一品质尺度，改变喷入系统理论值以及气路理论值并且根据其在预测界线之内预测第二品质尺度。然后，优化器21根据所述两个品质尺度相对于彼此的偏差确定最小品质尺度并且将其设定为对于内燃机是决定性的。对于在图中所示出的示例，这对于喷入系统是理论轨道压力pCR（SL）。理论轨道压力pCR（SL）是用于下一级的轨道压力调节回路22的参考参数。轨道压力调节回路22的调校参数相应于用于加载吸取节流件的PWM信号。对于气路来说，优化器21间接地确定气路理论值。在所示出的示例中，这是λ理论值LAM（SL）和AGR理论值AGR（SL），以用于针对这两个下一级的调节回路23和24进行预设。引回的测量参数MESS由电子控制仪器10读入。测量参数MESS不仅应该理解为直接测量的物理参数而且应该理解为从其中计算出的辅助参数。在所示出的示例中，读入λ实际值LAM（实际）和AGR实际值AGR（实际）。以附图标记SG概括内燃机的调校参数。不仅具有连续的调整范围的连续的调校参数而且具有离散的调整值的离散的调校参数落入其中。能够在最小值和最大值之间无级地调节连续的调校参数，例如喷射开始和喷射结束，以所述喷射开始和喷射结束对喷射器（图1：7）直接进行加载。具有离散的调整值的离散的调校参数能够仅仅分级地以固定值进行调整，例如气缸关闭。

图3示出方框图，以内燃机的运行情况BS作为输入参数并且以品质尺度（在此被称为经再优化的品质尺度J（NA））作为输出参数。在方框图之内，示出预先优化25、数值化26和再优化27。在第一步骤中，通过预先优化25计算出经预先优化的品质尺度J（VO），其中，具有离散的调整值的离散的调校参数被解释为具有连续的调整范围的连续的调校参数。

针对离散的调校参数的一个示例是预先喷入，其仅仅能够被激活或解除激活。通过使用预先喷入，能够明显降低燃烧的峰值压力。此外，但是在被激活的预先喷入的情况下，所有其它的燃烧参数（如例如NOx排放或颗粒数量）也发生改变。内燃机一次伴随着被激活的预先喷入并且一次伴随着被解除激活的预先喷入进行测量。由此，得出两个独立的燃烧模型。在计算经预先优化的品质尺度J（VO）时，由优化器对中间值进行插值，这意味着，通过在所述两个燃烧模型之间进行插值，预先喷入被激活或被解除激活的状态被人工地转换成连续的输入参数。然后，在预先优化25中，所述参数连续地被应用。在图3中，所述连续的调校参数被称为SG（k）。经预先优化的品质尺度J（VO）是纯内部计算参数，其不具有到内燃机的调校环节的存取。换言之：该经预先优化的品质尺度J（VO）是无存取的并且没有接到内燃机。在第二步骤中，通过数值化26从连续的调校参数SG（k）中计算出新的离散的调校参数SG（新）。因此，对于预先喷入来说，在数值化中又执行与被激活的预先喷入或被解除激活的预先喷入的固定不变的配属。数值化26提供如下优点，即例如可变的阀控制以三个离散的值（即最小值、中间值和最大值）进行确定，例如450°、495°和540°的曲轴转角。这在很大程度上降低了在随后确定经再优化的品质尺度时的计算消耗。此外，在数值化26中，所计算出的值通过可选的滞后带进行稳定。在第三步骤中，新的离散的调校参数SG（新）和运行情况相结合并且由优化器计算经再优化的品质尺度J（NA）。在计算该经再优化的品质尺度J（NA）时，新的离散的调校参数SG（新）不改变。就此而言，其在计算该经再优化的品质尺度J（NA）时不是自由度。在再优化中，实际上连续的调校参数与例如预先喷入的从数值化中预设的走向相适配。换言之：在再优化中，调校参数发生改变，其还真实地通过连续的调校参数进行描述。经再优化的品质尺度J（NA）相应于最小品质尺度J（min），其由优化器设定为对于内燃机（1）的运行点是决定性的，也就是说，被接到内燃机。

在图4中，以程序流程图示出该方法。在S1中进行初始化之后，在S2中检查开始过程是否结束。若所述开始过程还在运行，即询问结果S2：否，则分支返回到点A。若开始过程已结束，则在S3中探测内燃机的运行情况。运行情况通过马达转速n实际、增压空气温度TLL、增压空气压力pLL等进行界定。在S4中，调用子程序优化器，并且在S5中产生初始值、例如喷射开始。在步骤S6至S8中，相继调用子程序预先优化、数值化和再优化。所述子程序结合图5至7进行描述。在子程序再优化中计算出的经再优化的品质尺度被设定为最小品质尺度J（min），其确定内燃机的运行点。接着，在S10中检查，马达停止是否已经启动。若这不是这种情况，即询问结果S10：否，则分支返回到点B。否则，程序流程图结束。

在图5中，子程序预先优化作为程序流程图被示出。在S1中,预先优化的第一品质尺度J1（VO）根据等式（1）进行计算。在此，基本特征是，在计算第一品质尺度J1（VO）时，除了具有连续的调校范围的连续的调校参数之外，具有离散的值的离散的调校参数通过插值被解释为连续的调校参数。在S2中，将运行变量i设为零。之后，在S3中，改变初始值并且将其被计算为用于调校参数的新的理论值。在S4中，将运行变量i增加1。根据新的理论值，然后在S5中，在预测界线之内、例如针对随后的8秒预测预先优化的第二品质尺度J2（VO）。在S6中，将第一品质尺度J1（VO）减去第二品质尺度J2（VO）并且与边界值GW进行比较。通过所述两个品质尺度的作差来检验品质尺度的进一步进展。备选地，根据运行变量i与边界值iGW的比较，检查优化已经进行了多少次。就此而言，所述两个边界值观测是针对进一步优化的停止标准。若进一步优化是可行的，即询问结果S6：否，则分支返回到点A。否则，在S7中由优化器将第二品质尺度J2（VO）作为经预先优化的品质尺度J（VO）与在此所计算出的调校参数一起输出并且返回到图4的主程序中。该经预先优化的品质尺度J（VO）是纯计算参数，也就是说，所计算出的喷入系统理论值、所计算出的气路理论值和所计算出的调校参数不由优化器接到内燃机。

在图6中，示出子程序数值化。在S1中，读入具有从属的调校参数的经预先优化的品质尺度J（VO）。接着，以最初的离散的调整值对所述调校参数进行离散化。这在S2中根据相应的阈值以滞后带来进行。通过滞后带避免浮动的计算值。代替滞后带，还能够应用其它的防止快速转换的逻辑，例如时间控制。之后，在S3中输出新的离散的调校参数SG（新）并且返回到图4的主程序中。

在图7中，子程序再优化被示出为程序流程图。通过子程序再优化，从内燃机的运行情况和新的离散的调校参数SG（新）中确定出经再优化的品质尺度。在计算该经再优化的品质尺度时，新的离散的调校参数不被更新（nachgeführt）。在S1中，根据等式（1）计算再优化的第一品质尺度J1（NA）。在S2中，将运行变量i设定为零。之后，在S3中，改变初始值并且将其计算为用于调校参数的新的理论值。在S4中，将运行变量i增加1。然后，在S5中，根据新的理论值在预测界线之内、例如针对随后的8秒预测再优化的第二品质尺度J2（NA）。在S6中，将第一品质尺度J1（VO）减去第二品质尺度J2（VO）并且与边界值GW进行比较。通过所述两个品质尺度的作差，检验品质尺度的进一步进展。备选地，根据运行变量i与边界值iGW的比较，检查优化已经进行了多少次。就此而言，所述两个边界值观测是针对进一步优化的停止标准。若进一步优化是可行的，即询问结果S6：否，则分支返回到点A。否则，在S7中，由优化器将第二品质尺度J2（VO）作为最小品质尺度J（min）输出并且返回到图4的主程序中。

这两幅图8和9以对比的方式示出所选出的参数关于以秒计的时间的走向。所示出的参数是：以曲轴转角度数计的可变的阀控制VVT、以在上止点（OT）之前的度数计的喷射开始SB、在气缸中的燃烧压力pZYL和马达转速nMOT。对于燃烧压力pZYL，最大所允许的燃烧压力pMAX补充地作为虚线绘入。在左边的一半附图页中示出在应用现今的优化的情况下的这些参数，而在右边的一半附图页中示出在应用本发明的情况下的这些参数。作为输入参数的阶梯形地上升的理论转矩基于图8和图9的图示。首先，根据图8来描述这些参数。在第一步骤中，由优化器根据运行情况通过预先优化来计算经预先优化的品质尺度。在所述计算中，具有离散的调整值的离散的调校参数被解释为具有连续的调整范围的连续的调校参数。对于可变的阀控制VVT，在此，关于整个时间范围得出具有任意的中间值的连续的走向。但是，对于用于以三个经界定的调校者位置来操控可变阀的VVT调校环节，这样的走向是不能够呈现的。所计算出的喷射开始SB和相应的气缸压力pZYL与经预先优化的品质尺度相对应。在气缸压力pZYL方面，遵循最大值pMAX。从调校参量中得出在观测时间间隔中上升的马达转速nMOT。随后，对图9进行描述。所示出的VVT走向相应于在数值化之后的走向。在此，变得清楚的是，与图8的图示不同，VVT走向仅仅示出三个离散的值，即450°、495°和540°的曲轴转角。有利的是，VVT调校环节能够以仅仅三个值进行操控，由此明显降低计算消耗。根据内燃机的运行情况，从VVT走向中计算出经再优化的品质尺度。喷射开始SB的走向和气缸压力pZYL相应于所述经再优化的品质尺度，所述气缸压力在这种情况下也保持低于最大值pMAX。

附图标记列表

1 内燃机

2 燃料箱

3 低压泵

4 吸取节流件

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 电子控制仪器

11 废气涡轮增压器

12 增压空气冷却器

13 节流阀门

14 通入部位

15 进入阀，能够可变地操控

16 排出阀，能够可变地操控

17 AGR调校环节（AGR：废气引回）

18 涡轮旁通阀

19 燃烧模型

20 气路模型

21 优化器

22 轨道压力调节回路

23 λ调节回路

24 AGR调节回路

25 预先优化

26 数值化

27 再优化。

Claims

1.用于基于模型地控制和调节内燃机（1）的方法，其中，由优化器（21）在第一步骤中取决于运行情况（BS）计算出经预先优化的品质尺度（J（VO）），其中，在计算所述经预先优化的品质尺度（J（VO））时，将具有离散的调整值的离散的调校参数解释为具有连续的调整范围的连续的调校参数（SG（k）），其中，在第二步骤中，对所述连续的调校参数（SG（k））进行数值化并且设定为具有离散的调整值的新的离散的调校参数（SG（新）），其中，由所述优化器（21）在第三步骤中取决于所述新的离散的调校参数（SG（新））和所述内燃机（1）的运行情况（BS）计算出经再优化的品质尺度（J（NA））并且由所述优化器（21）将所述经再优化的品质尺度（J（NA））设定为对于所述内燃机（1）的运行点是决定性的。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述经预先优化的品质尺度（J（VO））通过如下方式进行确定，即通过燃烧模型（19）计算用于操控喷入系统调校环节的喷入系统理论值，通过气路模型（20）计算用于操控气路调校环节的气路理论值，并且通过插值从所述离散的调校参数的离散的调整值中计算出所述连续的调校参数（SG（k））。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述经预先优化的品质尺度（J（VO））被确定成对于所述内燃机的调校环节来说是无存取的。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述第二步骤中，所述连续的调校参数（SG（k））通过切换阈连同滞后进行数值化。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述经再优化的品质尺度（J（NA））在所述第三步骤中通过如下方式进行确定，即通过燃烧模型（19）计算用于操控喷入系统调校环节的喷入系统理论值，通过气路模型（20）计算用于操控气路调校环节的气路理论值，并且由所述优化器（21）通过改变所述喷入系统理论值和所述气路理论值在恒定的新的离散的调校参数（SG（新））的情况下通过在预测界线之内求最小值进行计算。