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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Simulation des Betriebs einer
Brennkraftmaschine, die eine Steuereinheit mit einer Mehrzahl den
Betrieb der Brennkraftmaschine beeinflussender Steuerparameter aufweist.
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Ferner
betrifft die Erfindung ein System zur Simulation des Betriebs einer
Brennkraftmaschine.
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Derartige
Verfahren und Systeme sind bekannt und werden üblicherweise im Rahmen eines Entwicklungsprozesses
eingesetzt, um eine Brennkraftmaschine hinsichtlich ihres Betriebsverhaltens zu
optimieren. Sobald neue Komponenten wie z. B. ein neues Kraftstoffsystem
oder dergleichen mit der Brennkraftmaschine kombiniert werden sollen,
muss ferner eine Anpassung der Steuerparameter derart erfolgen,
dass die gewünschten
Betriebseigenschaften der Brennkraftmaschine auch im Zusammenwirken
mit den neuen Komponenten erreicht werden. Ergänzend zu der isolierten Simulation
der Brennkraftmaschine unter Berücksichtigung
allein der Steuerparameter der Steuereinheit erfolgt seither deshalb
nachträglich
eine Anpassung der Steuerparameter durch einen Applikationsprozess,
bei dem die Steuerparameter üblicherweise
manuell angepasst und dadurch bewirkte Veränderungen in den Betriebseigenschaften
messtechnisch an einem Versuchsaufbau bzw. Prototyp erfasst werden.
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Nachteilig
an den bekannten Verfahren ist der hohe Aufwand und Ressourceneinsatz,
der mit der manuellen Applikation und der Durchführung von Messungen einhergeht,
sowie insbesondere das Erfordernis, derartige Schritte für jede weitere
neue Komponente durchzuführen.
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Offenbarung der Erfindung
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Demgemäß ist es
Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und System der
eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass der von herkömmlichen
Verfahren bekannte Aufwand und Ressourceneinsatz reduziert und insbesondere das
Erfordernis manueller Anpassungen und die Verwendung von Versuchsaufbauten
weitgehend eliminiert wird.
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Diese
Aufgabe wird bei dem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
für die
Simulation ein Modell verwendet wird, das neben den Steuerparametern
der Steuereinheit auch Komponentenparameter berücksichtigt, die einen Betrieb
mindestens einer weiteren der Brennkraftmaschine zugeordneten Komponente
charakterisieren. Durch die erfindungsgemäße gleichzeitige Berücksichtigung
der Steuerparameter der Steuereinheit, bei der es sich beispielsweise
um ein Motorsteuergerät
handeln kann, und der die Komponenten charakterisierenden Komponentenparameter, kann
das Zusammenwirken der Brennkraftmaschine mit neuen Komponenten
wie z. B. Einspritzventilen oder dergleichen vorteilhaft umfassend
simuliert werden. Das erfindungsgemäße Modell ermöglicht eine Optimierung
der Brennkraftmaschine einschließlich der ihr zugeordneten
Komponenten, so dass insbesondere der herkömmliche, zweistufige Prozess
der isolierten Simulation der Brennkraftmaschine selbst und eine
anschließende
Anpassung der Steuerparameter an die jeweiligen neuen Komponenten
und der damit einhergehende Ressourcenaufwand vermieden werden kann.
Das erfindungsgemäße Modell
ermöglicht
ganz besonders vorteilhaft auch eine Berücksichtigung von Abhängigkeiten
zwischen den Steuerparametern und den Komponentenparametern und
erlaubt somit eine präzise
und gleichzeitig effiziente Optimierung der durch die Brennkraftmaschine
und die ihr zugeordneten Komponenten gebildeten funktionalen Einheit.
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Wenn
die Komponentenparameter den Betrieb eines der Brennkraftmaschine
zugeordneten Kraftstoffsystems, insbesondere eines Einspritzventils,
und/oder eines der Brennkraftmaschine zugeordneten Luftsystems charakterisieren,
kann die erfindungsgemäße Simulation
der Brennkraftmaschine vorteilhaft u. a. mit dem Ziel einer Optimierung
hinsichtlich der Emissionseigenschaften der Brennkraftmaschine erfolgen.
Die Komponentenparameter können
darüber
hinaus auch weitere Systeme der Brennkraftmaschine wie z. B. Sensoreinheiten,
insbesondere Temperatursensoren usw., oder auch eine Getriebesteuerung
oder dergleichen charakterisieren.
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Bei
den Steuerparametern und/oder den Komponentenparametern kann es
sich einer weiteren Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zufolge zumindest teilweise um Softwareparameter handeln, die insbesondere
als applizierbare Parameter einer die Steuereinheit bzw. die Komponente
steuernden Recheneinheit ausgelegt sind, und die nach einer erfolgreichen
Simulation in einem der Recheneinheit zugeordneten Speicher abgelegt
werden. Im Unterschied zu der herkömmlichen manuellen Applikation,
die ein zeitraubendes aufeinanderfolgendes Ändern mehrerer Parameter umfasst,
können
die Parameter unter Verwendung des erfindungsgemäßen Modells einmalig ermittelt
und anschließend
gespeichert werden, insbesondere ohne dass nachfolgend weitere Modifikationen
der Parameter erforderlich sind.
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Besonders
vorteilhaft können
die Steuerparameter und/oder insbesondere die Komponentenparameter
zumindest teilweise physikalische, insbesondere elektrische und/oder
mechanische, Eigenschaften der Steuereinheit bzw. der Komponenten
repräsentieren,
so dass anstelle zahlreicher Versuchsaufbauten mit unterschiedliche
Parameter dieser Art aufweisenden Komponenten, die gewünschte Konfiguration
vorwiegend durch die Simulation erhalten wird und Versuchsaufbauten
vorzugsweise nur noch stichprobenartig zur Verifikation einzelner
Parameterkonfigurationen vorzusehen sind. Darüberhinaus können u. U. neue Komponenten,
die ähnliche
physikalische Eigenschaften oder auch eine ähnliche Geometrie wie bekannte
Komponenten aufweisen, bzw. deren Komponentenparameter, aus bereits
in dem erfindungsgemäßen Modell
verwendeten Parameter der bekannten Komponenten abgeleitet werden,
so dass sich eine Ermittlung der Komponentenparameter der neuen
Komponente im Wege eines Versuchsaufbaus oder einer Messreihe erübrigt.
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Eine
Möglichkeit
zur effizienten Optimierung der Brennkraftmaschine einschließlich der
ihr zugeordneten Komponenten ist einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zufolge dadurch gegeben, dass eine ein
gewünschtes Betriebsverhalten
der Brennkraftmaschine quantisierende Zielfunktion gebildet und
das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit
der Zielfunktion unter Veränderung
der Steuerparameter und/oder Komponentenparameter optimiert wird.
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Eine
Bildung und/oder Ergänzung
des erfindungsgemäßen Modells
kann erfindungsgemäß vorteilhaft
dadurch erfolgen, dass Abhängigkeiten
zwischen den Steuerparametern und/oder den Komponentenparametern,
insbesondere anhand eines Versuchsaufbaus, ermittelt oder bereits
bekannte Abhängigkeiten
in das Modell integriert werden.
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Als
eine weitere Lösung
der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein System zur Simulation des
Betriebs einer Brennkraftmaschine gemäß Patentanspruch 7 angegeben.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung können der
nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnommen
werden. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen aufgeführten Merkmale
können
sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich
sein.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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In
der Zeichnung zeigt:
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1a eine
erfindungsgemäß simulierte Brennkraftmaschine,
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1b ein
vereinfachtes Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Systems, und
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2 ein
Flussdiagramm einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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1a zeigt
schematisch eine Brennkraftmaschine 10 eines Kraftfahrzeugs,
der eine beispielsweise als Motorsteuergerät ausgebildete Steuereinheit 20 zugeordnet
ist. Die Steuereinheit 20 steuert und/oder regelt den Betrieb
der Brennkraftmaschine 10 in Abhängigkeit einer Mehrzahl von Steuerparametern,
die vorliegend in einem nichtflüchtigen
Speicher (nicht gezeigt) der Steuereinheit 20 abgelegt
sind und beispielsweise im Rahmen eines Applikationsprozesses angepasst
werden können.
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Die
Steuerparameter beeinflussen das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine 10 und können sich
z. B. insbesondere auch auf das Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine 10 auswirken.
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Zur
Simulation der in 1a abgebildeten Brennkraftmaschine 10 ist
das in 1b in Form eines Blockdiagramms
wiedergegebene erfindungsgemäße System 100 vorgesehen,
das beispielsweise mithilfe eines Personalcomputers und einer zur
Ausführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
programmierten Software realisierbar ist.
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Das
System 100 weist ein Modell 110 auf, welches erfindungsgemäß zur Simulation
des Betriebsverhaltens der Brennkraftmaschine 10 verwendet
wird. Dem Modell 110 sind die vorliegend durch den Pfeil
Ps symbolisierten Steuerparameter der Steuereinheit 20 zugeführt, wodurch
entsprechende Parameterwerte für
die Simulation des Betriebsverhaltens berücksichtigt werden können. Hierdurch kann
das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine 10 unter Einwirkung
unterschiedlicher Parameterwerte bzw. Kombination verschiedener
Parameter untersucht werden, ohne dass ein entsprechender Versuchsaufbau
erforderlich ist.
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Erfindungsgemäß sind dem
Modell 110 darüberhinaus
auch ebenfalls durch einen Pfeil symbolisierte Komponentenparameter
Pk zugeführt,
die einen Betrieb mindestens einer weiteren der Brennkraftmaschine 10 zugeordneten
Komponente 11, vgl. 1a, charakterisieren.
Bei der Komponente 11 kann es sich beispielsweise um ein
Kraftstoffsystem der Brennkraftmaschine 10 oder auch nur
um ein bestimmtes Einspritzventil handeln. Generell kann die Komponente 11 jedes
mit der Brennkraftmaschine 10 zusammenwirkende System darstellen,
das einen Einfluss auf das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine 10 hat
bzw. dessen eigenes Betriebsverhalten durch die Steuerparameter
Ps beeinflussbar ist, die von der Steuereinheit 20 verwendet
werden.
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Die
erfindungsgemäße Berücksichtigung
der Komponentenparameter Pk zusammen mit den Steuerparametern Ps
in demselben Modell 110 ermöglicht vorteilhaft eine präzise Simulation
des Betriebsverhaltens der Brennkraftmaschine 10, insbesondere
auch des Zusammenwirkens der Brennkraftmaschine 10 mit
der Komponente 11.
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Im
Vergleich zu herkömmlichen
Verfahren, bei denen die Parameter Ps, Pk jeweils gesondert für die Brennkraftmaschine 10 und
die Komponente 11 optimiert und anschließend bei
einer Kombination der Komponenten 10, 11 nachträglich z.
B. unter Verwendung von Versuchsaufbauten angepasst werden, ermöglicht die
erfindungsgemäße Modellierung
mittels des Modells 110, das gleichzeitig beide Parametergruppen
Ps, Pk verwendet, auch die Berücksichtigung
von Abhängigkeiten
einzelner, unterschiedlichen Parametergruppen Ps, Pk angehörender Parameter
bereits in der Simulationsphase. Dadurch kann bei Anwendung des
erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft
die Anzahl von Versuchsaufbauten und Kontrollmessungen reduziert
werden, was einen schnelleren Entwicklungszyklus ermöglicht und
die Wirtschaftlichkeit steigert.
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Darüberhinaus
können
einmal ermittelte und in das erfindungsgemäße Modell 110 integrierte
Zusammenhänge
auch für
nachfolgende Entwicklungs- bzw. Simulationsprozesse verwendet werden.
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Die
Steuerparameter Ps sind wie vorstehend beschrieben bevorzugt als
Softwareparameter ausgebildet, können
jedoch auch physikalische, insbesondere geometrische Größen oder
sonstige Eigenschaften der Steuereinheit 20 repräsentieren,
die sich auf das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine 10 auswirken.
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Die
Komponentenparameter Pk können
insbesondere physikalische, z. B. elektrische und/oder mechanische
bzw. geometrische Eigenschaften der Komponenten 11 repräsentieren.
Beispielsweise können
einer als Kraftstoffeinspritzventil ausgebildeten Komponente 11 zugeordnete
Komponentenparameter Pk einen Strahlwinkel bzw. eine Strahlanzahl, Durchflusseigenschaften,
sowie z. B. Trägheitsmomente
beweglicher Elemente und dergleichen charakterisieren. Ebenso können die
Ansteuerung des Kraftstoffeinspritzventils betreffende Parameter
wie z. B. ein differentieller Widerstand einer Eingangs- bzw. Treiberstufe
oder die Temperaturabhängigkeit der
elektrischen Parameter des Kraftstoffeinspritzventils durch die
Komponentenparameter Pk repräsentiert
werden.
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Bei
solchen der Brennkraftmaschine 10 zugeordneten Komponenten,
die eine eigene Steuerung durch eine Recheneinheit wie z. B. eine
Mikrocontroller aufweisen, können
die Komponentenparameter Pk auch Softwareparameter dieser Recheneinheit
umfassen, um eine vollständige
Charakterisierung des interessierenden Betriebsverhaltens der Komponente 11 zu
ermöglichen.
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In
einem ersten Schritt 200 des in 2 wiedergegebenen
erfindungsgemäßen Simulationsverfahrens
wird eine ein gewünschtes
Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine 10 (1a)
quantisierende Zielfunktion gebildet, die in Abhängigkeit der Parameter Ps,
Pk entsprechende Werte annimmt. Bei der Zielfunktion kann es sich
beispielsweise um eine Funktion handeln, die das Emissionsverhalten
der Brennkraftmaschine 10 in Abhängigkeit der Parameter Ps,
Pk beschreibt. Ein durch das erfindungsgemäße Modell 110 (1b)
im Wege der Simulation ermittelter Ergebniswert E der Zielfunktion
wird in einem zweiten erfindungsgemäßen Verfahrensschritt 210 ausgewertet.
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An
die Auswertung 210 schließt sich in dem Verfahrensschritt 220 eine
Modifikation ausgewählter Parameter
Ps, Pk der Anordnung 10, 11 an, und danach werden
die Schritte 210, 220 ggf. wiederholt, bis ein
vorgebbares Abbruchkriterium erfüllt
ist. Das Abbruchkriterium kann beispielsweise das Erreichen eines
vorgebbaren Ergebniswerts anzeigen. Die Modifikation 220 der
Parameter Ps, Pk kann beispielsweise unter Verwendung dem Fachmann
bekannter Optimierungsalgorithmen erfolgen, insbesondere auch in
Abhängigkeit
einer Differenz des momentanen Ergebniswerts E von einem zu erreichenden
Ergebniswert.
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Durch
das vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Verfahren können neue
Komponenten 11 wie z. B. Kraftstoffeinspritzventile, ganze
Kraftstoff- oder Luftsysteme, Sensoreinrichtungen oder sonstige
Komponenten effizient und präzise
an eine Brennkraftmaschine 10 bzw. an weitere der Brennkraftmaschine 10 zugeordnete
Komponenten angepasst werden. Insbesondere ermöglicht die erfindungsgemäße kombinierte
Betrachtung der Parameter Ps, Pk in dem Modell 110 (1b)
weitgehend den Verzicht auf ressourcenintensive Messreihen und Versuchsaufbauten.
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Lediglich
zur erstmaligen Bildung des Modells 110 oder zur Ergänzung um
das Betriebsverhalten neuartiger Komponenten 11 ist es
unerlässlich, Abhängigkeiten
zwischen den Steuerparametern Ps und/oder den Komponentenparametern
Pk anhand eines Versuchsaufbaus zu ermitteln, sofern die betreffenden
Zusammenhänge
nicht aus anderen bereits bestehenden Modellen in das Modell 110 übertragen
bzw. darin integriert werden können.