DE102007039691A1

DE102007039691A1 - Modellierungsverfahren und Steuergerät für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102007039691A1
Application number: DE102007039691A
Authority: DE
Inventors: Jan Hinkelbein; René Linssen
Original assignee: FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2007-08-22
Filing date: 2007-08-22
Publication date: 2009-02-26
Also published as: WO2009024268A2; WO2009024268A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Modellierungsverfahren zum Modellieren zumindest eines Verbrennungsmotors, vorzugsweise eines Verbrennungsmotors mit einem Fahrzeug, wobei: - ein Grey-Box-Modell aus wenigstens einem White-Box-Modell und wenigstens einem Black-Box-Modell gebildet wird, das in das White-Box-Modell eingebettet ist; und - als White-Box-Modell Bereiche des Verbrennungsmotors berechnet werden, die eine geringere Dynamik entwickeln als Bereiche, die als Black-Box-Modell berechnet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Modellierungsverfahren zum Modellieren zumindest eines Verbrennungsmotors, vorzugsweise eines Verbrennungsmotors mit einem Fahrzeug, sowie ein Steuergerät für zumindest einen Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs.
Im Stand der Technik sind stationär abgestimmte Kalibrierungen für Verbrennungsmotoren, wie Diesel- und Ottomotoren von PKW und NKW bekannt. Diese sind jedoch für zukünftige Emissionsszenarien, wie beispielsweise die Abgasnorm Euro 6, nicht fahrbar und gegen Fahrzyklusänderungen, Alterung, Verschleiß und Bauteilstreuungen wenig robust. Auch die bisher bekannten Regelungsverfahren und entsprechenden Steuergeräte für diese Verbrennungsmotoren werden den Anforderungen dieser zukünftigen Emissionsszenarien nicht gerecht, da sie eine unzureichende Regelgüte besitzen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Modellierungsverfahren und ein Steuergerät für einen Verbrennungsmotor zu schaffen, die im Vergleich zu den bekannten Modellierungsverfahren und Steuergeräten vor allem hinsichtlich der zukünftigen Emissionsszenarien verbessert sind.
Diese Aufgabe wird durch ein Modellierungsverfahren gemäß Anspruch 1 und durch ein Steuergerät gemäß Anspruch 28 gelöst. Weitere Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die Erfindung schlägt ein Modellierungsverfahren zum Modellieren zumindest eines Verbrennungsmotors, vorzugsweise eines Verbrennungsmotors mit einem Fahrzeug, vor, wobei ein Grey-Box-Modell aus wenigstens einem White-Box-Modell und wenigstens einem Black-Box-Modell gebildet wird, das in das White-Box-Modell eingebettet ist; und wobei als White-Box-Modell Bereiche des Verbrennungsmotors berechnet werden, die eine geringere Dynamik entwickeln als Bereiche, die als Black-Box-Modell berechnet werden.
Unter Modell wird hier ein Abbild des realen Verhaltens eines Systems mit Hilfe von Software ohne Nutzung von realen Komponenten verstanden. Ein White-Box-Modell beruht bekanntlich auf den grundlegenden physikalischen Beziehungen der Komponenten des Systems und wird daher auch als physikalisches Modell oder analytisches Modell oder strukturelles Modell bezeichnet. Ein Black-Box-Modell beruht hingegen auf den Messwerten des Eingangs- und Ausgangsverhaltens des Systems, ohne dass seine innere physi kalische Struktur betrachtet wird, und wird daher auch als mathematisches Modell oder deskriptives Modell oder pragmatisches Modell bezeichnet. Ein Grey-Box-Modell ist eine Form enthaltend White- und Black-Box-Modelle, wobei diese in dem Grey-Box-Modell miteinander verknüpft sind.
Das durch das vorgeschlagene Modellierungsverfahren gebildete Grey-Box-Modell ist ein globales dynamisches Modell und gibt das Systemverhalten des Verbrennungsmotors und gegebenenfalls des den Verbrennungsmotor enthaltenden Fahrzeugs wieder, was mit zunehmendem Detaillierungsgrad des Modells nach Bedarf weiter verbessert werden kann. Die Eigenschaft "global" bedeutet hier, dass wenigstens eine, bevorzugt zwei Zustandsgrößen wie beispielsweise Drehzahl und/oder Last im Modell verwendet werden und dieses somit vorzugsweise für alle Betriebszustände gültig ist. Das vorgeschlagene Grey-Box-Modell ist physikalisch basiert, da es wenigstens einen höherdynamischen Bereich, wie beispielsweise den Hochdruckprozess, des Verbrennungsmotors stationär im Black-Box-Modell nachbildet und dieses in ein dynamisches White-Box-Modell wenigstens eines anderen niederdynamischen Bereichs, wie beispielsweise des Luftpfades, des Verbrennungsmotors einbettet, das physikalisch aufgebaut ist. Bevorzugt kann das Black-Box-Modell für einen Teil des Gesamtmodells, also des Grey-Box-Modells, eingesetzt werden, für den eine physikalische Modellierung zu aufwendig wäre und/oder der keinen oder nur einen untergeordneten Einfluss auf die Dynamik des Gesamtsystems hat. Die Trennung zwischen White- und Black-Box-Modell kann bevorzugt unter Nutzung charakteristischer Eingangsgrößen und Ausgangsgrößen erfolgen. Diese charakteristischen Eingangsgrößen können beispielsweise ein Druck an einem Ein- und/oder Auslassventil und/oder eine Sauerstoffkonzentration an einem Ein- und/oder Auslassventil und/oder eine Temperatur an einem Ein- und/oder Auslassventil und/oder ein Einspritzzeitpunkt und/oder eine Einspritzmenge und/oder ein Einspritzdruck und/oder eine Verbrennungsschwerpunktlage und/oder eine Verbrennungsdauer umfassen. Diese charakteristischen Ausgangsgrößen können beispielsweise einen Druck im Brennraum und/oder ein Drehmoment und/oder eine Abgastemperatur und/oder ein Abgasmassenstrom und/oder eine Abgaszusammensetzung und/oder einen Abgasgegendruck umfassen.
Da das durch das vorgeschlagene Modellierungsverfahren gebildete Grey-Box-Modell wenigstens einen niederdynamischen Bereich, wie beispielsweise den Luftpfad, und somit das dynamische Verhalten des Verbrennungsmotors beziehungsweise Fahrzeugs nachbildet und vorzugsweise für den gesamten Betriebsbereich gültig ist, ist es für die zukünftigen Emissionsszenarien geeignet.
Das vorgeschlagene Modellierungsverfahren bietet den Vorteil, dass die benötigte Prüfstandszeit und die Zeit für Fahrzeuguntersuchungen und somit auch der Aufwand für Messgeräte und Prüfstände auf ein Minimum reduziert werden kann. Es muss lediglich zu Beginn eine Vermessung durchgeführt werden, um das Grey-Box-Modell, insbesondere das Black-Box-Modell, zu erstellen. Nach erfolgter Applikation, die am Schreibtisch durchgeführt werden kann, müssen dann nur noch Verifikationsläufe durchgeführt werden. Außerdem können beliebig viele weitere Varianten gerechnet werden, ohne erneut den Prüfstand benutzen zu müssen, da durch eine Verschiebung von Gewichten oder eine Änderung von Randbedingungen der Optimierungslauf und somit das Ergebnis angepasst werden können.
Bei dem vorgeschlagenen Modellierungsverfahren wird die gesamte Dynamik oder der überwiegende Teil der Dynamik des Verbrennungsmotors beziehungsweise Fahrzeugs durch wenigstens einen niederdynamischen Bereich, wie beispielsweise den Luftpfad, vorgegeben. Nach Bedarf können aber noch beliebige andere Eigenschaften und Systeme in das Gesamtmodell eingefügt werden.
Es kann vorgesehen sein, dass die Bereiche, die als White-Box-Modell berechnet werden, einen Luftpfad des Verbrennungsmotors und die Bereiche, die als Black-Box-Modell berechnet werden, einen Hochdruckprozess des Verbrennungsmotors umfassen.
Es kann vorgesehen sein, dass in einem White-Box-Modell eine physikalische Modellierung wenigstens eines dynamischen Systems und in einem Black-Box-Modell eine parametrische Modellierung komplexer statischer Zusammenhänge erfolgt.
Die Verteilung von White- und Black-Box-Modellen im Gesamtmodell kann nach Bedarf beliebig erfolgen. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das Grey-Box-Modell ein White-Box-Modell einer Motordynamik und/oder ein White-Box-Modell einer Belastungseinheit umfasst. Die Belastungseinheit kann beispielsweise eine Kurbelwelle, einen Antriebsstrang, Radbremsen, die Fahrbahnbeschaffenheit wie beispielsweise Berg- und Talfahrt, den Wind, eine Bremse eines Prüfstands, die den Motor über den Antriebsstrang und die Kurbelwelle belastet und auch als Belastungseinrichtung bezeichnet wird, oder die im Fahrzeug von den Rädern ausgeübte Belastung umfassen.
Es kann vorgesehen sein, dass das Grey-Box-Modell modular aufgebaut ist. So muss beispielsweise bei einem Tausch des Turboladers oder des Injektors nur das entsprechende Modell und somit lediglich ein kleiner Teil des Gesamtmodells angepasst werden.
Jedes Black-Box-Modell kann auf unterschiedliche Weise erstellt werden, bevorzugt durch statistische Versuchsplanung.
Jedes Black-Box-Modell kann unterschiedliche Eingangs- und Ausgangsgrößen verwenden. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das Black-Box-Modell als Eingangsgrößen wenigstens eine physikalische Größe am Einlassventil und/oder Auslassventil, insbesondere einen Druck und/oder eine Sauerstoffkonzentration und/oder eine Temperatur, und/oder wenigstens einen Einspritzparameter, insbesondere einen Einspritzzeitpunkt und/oder eine Einspritzmenge und/oder einen Einspritzdruck, und/oder wenigstens eine Kenngröße der Verbrennung, insbesondere eine Verbrennungsschwerpunktlage und/oder eine Verbrennungsdauer, verwendet. Alternativ oder zusätzlich kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das Black-Box-Modell als Ausgangsgrößen wenigstens einen Druck im Brennraum und/oder ein Drehmoment und/oder eine Abgastemperatur und/oder einen Abgasmassenstrom und/oder eine Abgaszusammensetzung und/oder einen Abgasgegendruck verwendet.
Jedes Black-Box-Modell kann nach einem anderen Prinzip realisiert sein und beispielsweise wenigstens ein Polynommodell und/oder wenigstens ein neuronales Netz umfassen.
Es kann vorgesehen sein, dass das vorgeschlagene Modellierungsverfahren zum Einsatz in einem Regelungsverfahren zum Regeln des Verbrennungsmotors bestimmt ist, wobei dynamische Sollwertverläufe und Vorsteuerungen derart verwendet werden, dass mit Hilfe des Modellierungsverfahrens wenigstens ein Sollwert und wenigstens ein Vorsteuerwert als zeitliche Verläufe dynamisch vorgegeben werden.
Die Erfindung schlägt außerdem ein Modellierungsverfahren zum Modellieren zumindest eines Verbrennungsmotors vor, das zum Einsatz in einem Regelungsverfahren zum Regeln des Verbrennungsmotors bestimmt ist, wobei dynamische Sollwertverläufe und Vorsteuerungen derart verwendet werden, dass mit Hilfe des Modellierungsverfahrens wenigstens ein Sollwert und wenigstens ein Vorsteuerwert als zeitliche Verläufe dynamisch vorgegeben werden.
Die dynamischen Sollwertverläufe und Vorsteuerungen können beispielsweise einen erweiterten Zwei-Freitheitsgrade-Entwurf für wenigstens einen Regler umfassen, der die jeweiligen Soll- und Vorsteuerwerte nicht nur aus Kennfeldern abliest, sondern dynamisch als zeitliche Verläufe oder Trajektorien vorgibt.
Das dynamische Vorgeben der zeitlichen Verläufe kann unterschiedlich erfolgen. So kann das dynamische Vorgeben der zeitlichen Verläufe beispielsweise dadurch erfolgen, dass die zeitlichen Verläufe in wenigstens einem Kennfeld mit wenigstens einer Achse, die der Zeitachse eines bestimmten dynamischen Vorgangs entspricht, hinterlegt sind und bei Erkennen des dynamischen Vorgangs ausgeführt werden. Der dynamische Vorgang kann beispielsweise ein so genanntes "Tip-In" sein. Alternativ oder zusätzlich kann das dynamische Vorgeben der zeitlichen Verläufe dadurch erfolgen, dass die zeitlichen Verläufe als wenigstens eine parametrische Funktion mit wenigstens einer Eingangsgröße, die eine Zeitabhängigkeit entsprechend dem dynamischen Vorgang aufweist, hinterlegt sind. Die Parameter der parametrischen Funktion können beispielsweise in betriebspunktabhängigen Kennfeldern hinterlegt sein. Alternativ oder zusätzlich kann das dynamische Vorgeben der zeitlichen Verläufe dadurch erfolgen, dass die zeitlichen Verläufe als wenigstens ein inverses dynamisches Modell der Regelstrecke hinterlegt sind, das für einen Sollverlauf den Vorsteuerverlauf berechnet. Alternativ oder zusätzlich kann das dynamische Vorgehen der zeitlichen Verläufe dadurch erfolgen, dass Korrekturen angewendet werden, die als wenigstens ein Kennfeld hinterlegt sind, das von der Änderungsgeschwindigkeit einer Größe, insbesondere der Einspritzmenge und/oder Drehzahl abhängt.
Gemäß einer Weiterbildung können bei dem Regelungsverfahren direkt Begrenzungen der Eingangsgrößen, beispielsweise ein begrenzter Stellbereich eines Aktuators, und Ausgangsgrößen, beispielsweise ein Rauchkennfeld, berücksichtigt werden.
Das vorgeschlagene Modellierungsverfahren führt bei dem Regelungsverfahren bevorzugt zu einer Linearisierung des zu regelnden Systems um eine Solltrajektorie herum. Dadurch kann der eigentliche Regler entlastet und mehr in Richtung Störungskompensation ausgelegt werden, da das Folgeverhalten zum größten Teil von der Vorsteuerung übernommen wird. Hierbei stellen Phänomene wie Alterung, Verschleiß und Bauteilstreuung ebenfalls Störungen da und werden somit von dem Regler ausgeregelt.
Es kann vorgesehen sein, dass das vorgeschlagene Modellierungsverfahren zum Einsatz in einem Kalibrierungsverfahren zum Kalibrieren des Verbrennungsmotors bestimmt ist, wobei eine Simulationsumgebung verwendet wird, die eine Nachbildung eines, insbesondere des vorgeschlagenen Regelungsverfahrens zum Regeln des Verbrennungsmotors und eine Implementierung eines durch das vorgeschlagene Modellierungsverfahren gebil deten Grey-Box-Modells umfasst. Hierdurch kann die Applikation eines Steuergerätes, welches das Regelungsverfahren umsetzt, sehr effizient und sicher durchgeführt werden.
Die Erfindung schlägt darüber hinaus ein Modellierungsverfahren zum Modellieren zumindest eines Verbrennungsmotors vor, das zum Einsatz in einem Kalibrierungsverfahren zum Kalibrieren des Verbrennungsmotors bestimmt ist, wobei eine Simulationsumgebung verwendet wird, die eine Nachbildung eines, insbesondere des vorgeschlagenen Regelungsverfahrens zum Regeln des Verbrennungsmotors und eine Implementierung eines durch das vorgeschlagene Modellierungsverfahren gebildeten Grey-Box-Modells umfasst.
Die Vorgehensweise zur Applikation eines Test- oder Fahrzyklus kann unterschiedlich gewählt werden. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das vorgeschlagene Modellierungsverfahren zum Einsatz in einem Kalibrierungsverfahren zum Kalibrieren zumindest eines Verbrennungsmotors bestimmt ist, wobei die Schritte vorgesehen sind, dass:

a) ein Fahrzyklus gewählt wird,
b) dann der gesamte Fahrzyklus mit einer aktuellen Applikation simuliert wird;
c) dann die Applikation unter Berücksichtigung von Kennfeldglattheit optimiert wird;
d) dann die Optimierung verifiziert wird, so dass bei erfolgreicher Verifikation eine Kalibrierung für den Fahrzyklus erhalten wird.

Der Gesetzgeber schreibt den Fahrzeugherstellern zur Zertifizierung von Abgasemissionen und Kraftstoffverbrauch Fahrzyklen, beispielsweise den NEFZ (Abkürzung für "Neuer Europäischer Fahrzyklus") vor, die nach Fahrzeugtyp und Markt unterschiedlich sind und die Grundlage für die Bestimmung der zertifizierungsrelevanten Abgasemissions- und Kraftstoffverbrauchswerte darstellen. Im Schritt a) kann also als gewünschter Fahrzyklus beispielsweise ein gesetzlicher Fahrzyklus, beispielsweise der NEFZ, nach Bedarf aber auch ein beliebiger anderer Fahrzyklus ausgewählt werden, wie beispielsweise ein Real-Driving-Cycle. Im Schritt b) kann das vorgeschlagene Grey-Box-Modell entsprechend der Last betrieben werden, die sich in dem gewählten Fahrzyklus an einem realen Verbrennungsmotor ergeben würde. Daraus erhält man Informationen über die Abgasemissionen und den Kraftstoffverbrauch des Systems. Diese Informationen sind abhängig von den gewählten Parametern, die wiederum in Kennfeldern abgelegt sind und über das vorgeschlagene Regelungsverfahren auf das Grey-Box-Modell wirken. Nach Ausführung des Schrittes d) steht eine optimale Kalibrierung für den gewählten Testzyklus zur Verfügung.
Es kann vorgesehen sein, dass nach dem Schritt d) ein anderer Fahrzyklus gewählt wird und dann die Schritte b) bis d) ausgeführt werden. Dann kann aus den Kalibrierungen der Fahrzeugzyklen ein, bevorzugt gewichteter Mittelwert gebildet werden. Durch diese Wahl unterschiedlicher Fahrzyklen, die bevorzugt wenigstens einen gesetzlichen Fahrzyklus, beispielsweise den NEFZ, und wenigstens einen anderen Fahrzyklus, beispielsweise einen Real-Driving-Cycle, umfassen, kann die Robustheit und/oder die Fahrbarkeit der Kalibrierung für den Alltagsbetrieb erhöht werden. Vorzugsweise kann aus den für die jeweiligen Fahrzyklen optimalen Kalibrierungen ein gewichteter Mittelwert gebildet werden, wobei bevorzugt den gesetzlichen Fahrzyklen höhere Gewichte zugeordnet sind als den anderen Fahrzyklen.
Die Optimierung im Schritt c) kann unterschiedlich erfolgen, beispielsweise dadurch, dass:

– die Güte der Applikation dadurch ermittelt wird, dass wenigstens ein Emissionsverlauf analysiert und/oder wenigstens eine integrale Emission über den Fahrzyklus berechnet wird; und
– die Einträge in den Kennfeldern zur Minimierung der Emissionen und/oder der Kennfeldglattheit der Kennfelder angepasst werden.

Das Anpassen der Einträge in den Kennfeldern kann bevorzugt manuell und/oder automatisch erfolgen. Um die Fahrbarkeit zu gewährleisten, sollen dabei Sprünge oder steile Gradienten in den Kennfeldern vermieden werden. Hierzu kann ein Wert oder Maß dienen, der die Glattheit eines Kennfeldes universell bewertet und der vorzugsweise ebenfalls minimiert werden kann.
Dieser Wert oder Maß für die Kennfeldglattheit kann beispielsweise ein gewichtetes Integral über die Quadrate der ersten und zweiten Ableitungen des Kennfelds in Richtung der beiden Stützstellen sein. Die erste Ableitung ist ein Maß für die Steigung im Kennfeld, die zweite Ableitung ein Maß für die Krümmung des Kennfelds. Zur Sicherung der Vergleichbarkeit zweier Kennfelder können sowohl die Stützstellen als auch die Kennfeldwerte in den Bereich zwischen 0 und 1 skaliert werden. Die Kennfeldglattheit kann bevorzugt mit der folgenden Gleichung definiert werden:
Die Parameter γ erlauben eine Gewichtung in Abhängigkeit von der Richtung und der Ordnung der Ableitung. Da Kennfelder in der Regel als Datensatz mit Wertepaaren, die aus einer Stützstellenposition hinsichtlich Last und Drehzahl sowie aus einem Kennfeld wert gebildet sind, vorliegen, lässt sich das Integral nach Bedarf auch in eine Summe überführen.
Es kann vorgesehen sein, dass eine Verifizierung im Schritt d) direkt am Verbrennungsmotor und/oder an einem den Verbrennungsmotor umfassenden Fahrzeug erfolgt.
Es kann vorgesehen sein, dass nach dem Schritt d) die Applikation geändert wird und dann die Schritte b) bis d) ausgeführt werden. Dies kann beispielsweise dann erfolgen, wenn die Verifikation nicht erfolgreich war.
Die Erfindung schlägt des Weiteren ein Regelungsverfahren zum Regeln zumindest eines Verbrennungsmotors vor, wobei dynamische Sollwertverläufe und Vorsteuerungen derart verwendet werden, dass mithilfe eines, insbesondere des vorgeschlagenen Modellierungsverfahrens zum Modellieren des Verbrennungsmotors wenigstens ein Sollwert und wenigstens ein Vorsteuerwert als zeitliche Verläufe dynamisch vorgegeben werden.
Es kann vorgesehen sein, dass das dynamische Vorgeben der zeitlichen Verläufe dadurch erfolgt, dass:

– die zeitlichen Verläufe in wenigstens einem Kennfeld mit wenigstens einer Achse, die der Zeitachse eines bestimmten dynamischen Vorgangs entspricht, hinterlegt sind und bei Erkennen des dynamischen Vorgangs ausgeführt werden; und/oder
– die zeitlichen Verläufe als wenigstens eine parametrische Funktion mit wenigstens einer Eingangsgröße, die eine Zeitabhängigkeit entsprechend dem dynamischen Vorgang aufweist, hinterlegt sind; und/oder
– die zeitlichen Verläufe als wenigstens ein inverses dynamisches Modell der Regelstrecke hinterlegt sind, das für einen Sollverlauf den Vorsteuerverlauf berechnet; und/oder
– Korrekturen angewendet werden, die als wenigstens ein Kennfeld hinterlegt sind, das von der Änderungsgeschwindigkeit einer Größe, insbesondere der Einspritzmenge und/oder Drehzahl abhängt.

Die Erfindung schlägt zudem ein Kalibrierungsverfahren zum Kalibrieren zumindest eines Verbrennungsmotors vor, wobei eine Simulationsumgebung verwendet wird, die eine Nachbildung eines, insbesondere des vorgeschlagenen Regelungsverfahrens zum Regeln des Verbrennungsmotors und eine Implementierung eines durch ein, insbesondere das vorgeschlagene Modellierungsverfahren zum Modellieren des Verbrennungsmotors gebildeten Grey-Box-Modells umfasst.
Es kann vorgesehen sein, dass bei dem vorgeschlagenen Kalibrierungsverfahren die Schritte vorgesehen sind, dass:

Es kann vorgesehen sein, dass nach dem Schritt d) ein anderer Fahrzyklus gewählt wird und dann die Schritte b) bis d) ausgeführt werden.
Es kann vorgesehen sein, dass aus den Kalibrierungen der Fahrzyklen ein, bevorzugt gewichteter, Mittelwert gebildet wird.
Es kann vorgesehen sein, dass die Optimierung im Schritt c) dadurch erfolgt, dass:

Es kann vorgesehen sein, dass die Verifizierung im Schritt d) direkt am Verbrennungsmotor und/oder an einem den Verbrennungsmotor umfassenden Fahrzeug erfolgt.
Es kann vorgesehen sein, dass nach dem Schritt d) die Applikation geändert wird und dann die Schritte b) bis d) ausgeführt werden.
Die Erfindung schlägt außerdem ein Steuergerät für zumindest einen Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs vor, wobei das Steuergerät eine Vorkalibrierung eines dynamischen Verhaltens des Verbrennungsmotors implementiert aufweist; wobei die Vorkalibrierung Ergebnisse einer Simulation eines Grey-Box-Modells des Verbrennungsmotors enthält, bei der wenigstens ein Bereich des Verbrennungsmotors als Black-Box-Modell und wenigstens ein anderer Bereich des Verbrennungsmotors als White-Box-Modell enthalten ist; und wobei der als White-Box-Modell enthaltene Bereich eine geringere Dynamik entwickelt als der als Black-Box-Modell enthaltene Bereich.
Es kann vorgesehen sein, dass ein Verbrennungsprozess in einem Zylinder als Black-Box-Modell und ein Luftpfad des Verbrennungsmotors als White-Box-Modell enthalten ist.
Es kann vorgesehen sein, dass die Vorkalibrierung mit einer Adaption zur Anpassung von Daten während des Betriebs des Verbrennungsmotors versehen ist.
Es kann vorgesehen sein, dass die Vorkalibrierung mit einem On-Board-Diagnosesystem des Fahrzeugs verknüpft ist und dortige Daten durch die Vorkalibrierung hinterlegt worden sind.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen werden anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert werden. Die daraus hervorgehenden einzelnen Merkmale sind jedoch nicht auf die einzelnen Ausführungsformen beschränkt, sondern können mit weiter unten beschriebenen einzelnen Merkmalen oder mit einzelnen Merkmalen anderer Ausführungsformen zu weiteren Ausführungsformen verbunden werden. Es zeigen:
1: ein schematisches Diagramm eines Grey-Box-Modells, das in einem Modellierungsverfahren zum Modellieren eines Kraftfahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor verwendet wird;
2: eine schematische Darstellung eines Zylinders des Verbrennungsmotors zur Erläuterung des darin ablaufenden Hochdruckprozesses, der in dem Black-Box-Modell des Grey-Box-Modells der 1 nachgebildet wird; und
3: ein schematisches Diagramm einer Simulationsumgebung, mit deren Hilfe der Verbrennungsmotor kalibriert werden kann.
In der 1 ist ein Grey-Box-Modell 10 in einer bevorzugten Ausführungsform gezeigt, das ein nicht dargestelltes Kraftfahrzeug mit einem nicht dargestellten Verbrennungsmotor nachbildet. Es weist mehrere White-Box-Modelle 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 für unterschiedliche Teilsysteme des Luftpfads des Verbrennungsmotors, ein White-Box-Modell 20 der Motordynamik des Verbrennungsmotors, ein White-Box-Modell 21 des nicht dargestellten Antriebsstrangs des Fahrzeugs sowie ein Black-Box-Modell 22 des weiter unten näher erläuterten Hochdruckprozesses des Verbrennungsmotors auf.
Das White-Box-Modell 11 ist der Umgebung des Verbrennungsmotors zugeordnet. Die White-Box-Modelle 12–14 sind jeweils wenigstens einem Verdichter, wenigstens einer Massenträgheit und wenigstens einer Turbine wenigstens eines nicht dargestellten Abgasturboladers des Verbrennungsmotors zugeordnet. Die White-Box-Modelle 15–17 sind jeweils wenigstens einem Zumischventil, wenigstens einem Kühler und wenigstens einem Abzweigventil wenigstens einer nicht dargestellten externen Abgasrückführung des Verbrennungsmotors zugeordnet. Falls zwei oder mehr Verdichter vorhanden sein sollten, so kann wenigstens zweien dieser Verdichter ein gemeinsames White-Box-Modell 12 und/oder wenigstens einem dieser Verdichter jeweils ein eigenes White-Box-Modell 12 zugeordnet sein. Dies gilt entsprechend auch für zwei oder mehr Massenträgheiten, Turbinen, Zumischventile, Kühler und/oder Abzweigventile. Falls zwei oder mehr Abgasturbolader vorhanden sein sollten, so können wenigstens zwei dieser Abgasturbolader seriell und/oder wenigstens zwei andere dieser Abgasturbolader parallel angeordnet sein. Falls zwei oder mehr Abgasrückführungen vorhanden sein sollten, so können wenigstens zwei dieser Abgasrückführungen auf gleichen und/oder wenigstens zwei andere dieser Abgasrückführungen auf unterschiedlichen Druckniveaus, wie beispielsweise vor oder nach einem Abgasturbolader oder zwischen seriellen Abgasturboladern, angeordnet sein. Die White-Box-Modelle 18, 19 sind einem Saugrohr 23 – vgl. 2 – beziehungsweise einem nicht dargestellten Abgassammler 24 – vgl. 2 – des Verbrennungsmotors zugeordnet.
Somit sind die für eine dynamische Kalibrierung relevanten Motor- und Fahrzeugkomponenten und -teilsysteme in den White-Box-Modellen 11–21 und der Verbrennungsprozess, der im Vergleich zu dem Luftpfad extrem schnell abläuft und daher für die Dynamik irrelevant ist, in dem Black-Box-Modell 22 modular nachgebildet. Das Black-Box-Modell 22 wurde hier mithilfe der in der Applikation üblichen, allerdings um eine Messung der relevanten physikalischen Eingangs- und Ausgangsgrößen ergänzten Motorprüfstandexperimente gebildet.
In der 2 ist ein Zylinder 25 des Verbrennungsmotors gezeigt, der das Saugrohr 23, den Abgassammler 24, ein Einlassventil 26, einen Brennraum 27, einen Kolben 28, eine Pleuelstange 29 und ein Auslassventil 30 aufweist. Die im Black-Box-Modell 22 verwendeten charakteristischen Eingangsgrößen umfassen hier den Druck, die Sauerstoffkonzentration und die Temperatur im Saugrohr 23 am Einlassventil 26 sowie den Einspritzzeitpunkt, die Einspritzmenge und den Einspritzdruck eines nicht dargestellten, in den Brennraum 27 ragenden Injektors. Die im Black-Box-Modell 22 verwendeten charakteristischen Ausgangsgrößen umfassen hier den Verbrennungsdruck und den indizierten Mitteldruck im Brennraum 27, das über die Pleuelstange 29 abgegriffene Drehmoment sowie die Abgastemperatur, den Abgasmassenstrom, die Abgaszusammensetzung und den Abgasgegendruck im Abgassammler 24.
In der 3 ist eine Simulationsumgebung 31 gezeigt, die für die Kalibrierung und Applikation des Verbrennungsmotors verwendet werden kann. Sobald das Grey-Box-Modell 10, beispielsweise wie weiter oben beschrieben, erstellt ist, kann die Kalibrierung mithilfe dynamischer Fahrvorgänge erfolgen, die beispielsweise einfache Beschleunigungs- und Verzögerungsfahrten und/oder komplexe Fahrzyklen wie den NEFZ umfassen können. Dabei werden für die Kalibrierung relevante, dynamische Parameter, wie beispielsweise Abgasemissionen, Kraftstoffverbrauch, Ruckeln oder Geräusche, ermittelt und durch Optimierungsläufe verbessert. In den Optimierungsläufen werden Steuer und/oder Regelparameter der Applikation angepasst und als dynamische Verläufe über der Zeit, die beispielsweise Einspritzzeitpunkt-, Zündzeitpunkt- und/oder Einspritzmengenverläufe umfassen können, in einem nicht dargestellten Steuergerät abgelegt. Dabei kann bevorzugt zusätzlich auf vorgegebene Grenzwerte, beispielsweise für Rauch, geachtet und die erhaltenen Zeitverläufe so lange optimiert werden, bis glatte, robuste Kennfelder entstanden sind.
Die Simulationsumgebung 31 umfasst mehrere Blöcke 100–105, die unterschiedliche Schritte eines Modellierungsverfahrens zum Einsatz in einem Kalibrierungsverfahren zum Kalibieren des Verbrennungsmotors betreffen. Im Block 100 erfolgt die anfängliche Vorgabe der Kennfelder. Im Block 101 erfolgt die anfängliche Vorgabe der Applikationsdaten unter Verwendung dieser Kennfelder. Im Block 102 wird ein Fahrzyklus gewählt, beispielsweise der NEFZ. Im Block 103 erfolgt die Nachbildung des Steuergeräts. Im Block 104 erfolgt die eigentliche Simulation mithilfe des Grey-Box-Modells 10 unter Verwendung der Ausgaben der Blöcke 101–103. Im Block 105 erfolgt die Erfassung des Systemverhaltens und der Gütemaße unter Verwendung der Ergebnisse aus dem Block 104. Im Block 100 erfolgt zunächst die Beurteilung des Emissions- und Verbrauchsverhaltens und der Kennfeldgüte, insbesondere anhand der Kennfeldglattheit, unter Verwendung der Ergebnisse aus dem Block 105 und dann die Anpassung der Kennfeldwerte zwecks Optimierung des Emissions- und Verbrauchsverhaltens. Mit den derart vorgegebenen Kennfeldern kann in einer folgenden Iteration der Block 101 gespeist werden.

Claims

Modellierungsverfahren zum Modellieren zumindest eines Verbrennungsmotors, vorzugsweise eines Verbrennungsmotors mit einem Fahrzeug, wobei: – ein Grey-Box-Modell (10) aus wenigstens einem White-Box-Modell (11–19) und wenigstens einem Black-Box-Modell (22) gebildet wird, das in das White-Box-Modell (11–19) eingebettet ist; und – als White-Box-Modell (11–19) Bereiche des Verbrennungsmotors berechnet werden, die eine geringere Dynamik entwickeln als Bereiche, die als Black-Box-Modell (22) berechnet werden.
Modellierungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bereiche, die als White-Box-Modell (11–19) berechnet werden, einen Luftpfad des Verbrennungsmotors und die Bereiche, die als Black-Box-Modell (22) berechnet werden, einen Hochdruckprozess des Verbrennungsmotors umfassen.
Modellierungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem White-Box-Modell (11–19) eine physikalische Modellierung wenigstens eines dynamischen Systems und in einem Black-Box-Modell (22) eine parametrische Modellierung komplexer statischer Zusammenhänge erfolgt.
Modellierungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Grey-Box-Modell (10) ein White-Box-Modell (20) einer Motordynamik und/oder ein White-Box-Modell (21) einer Belastungseinheit umfasst.
Modellierungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Grey-Box-Modell (10) modular aufgebaut ist.
Modellierungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Black-Box-Modell (22) durch statistische Versuchsplanung erstellt wird.
Modellierungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Black-Box-Modell (22) als Eingangsgrößen wenigstens eine physikalische Größe an einem Einlassventil (26) und/oder Auslassventil (30) und/oder wenigstens einen Einspritzparameter und/oder wenigstens eine Kenngröße der Verbrennung verwendet.
Modellierungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Black-Box-Modell (22) als Ausgangsgrößen wenigstens einen Druck im Brennraum (27) und/oder ein Drehmoment und/oder eine Abgastemperatur und/oder einen Abgasmassenstrom und/oder eine Abgaszusammensetzung und/oder einen Abgasgegendruck verwendet.
Modellierungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Black-Box-Modell (22) wenigstens ein Polynommodell und/oder wenigstens ein neuronales Netz umfasst.
Modellierungsverfahren, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zum Modellieren zumindest eines Verbrennungsmotors, das zum Einsatz in einem Regelungsverfahren zum Regeln des Verbrennungsmotors bestimmt ist, wobei dynamische Sollwertverläufe und Vorsteuerungen derart verwendet werden, dass mit Hilfe des Modellierungsverfahrens wenigstens ein Sollwert und wenigstens ein Vorsteuerwert als zeitliche Verläufe dynamisch vorgegeben werden.
Modellierungsverfahren nach Anspruch 10, wobei das dynamische Vorgeben der zeitlichen Verläufe dadurch erfolgt, dass: – die zeitlichen Verläufe in wenigstens einem Kennfeld mit wenigstens einer Achse, die der Zeitachse eines bestimmten dynamischen Vorgangs entspricht, hinterlegt sind und bei Erkennen des dynamischen Vorgangs ausgeführt werden; und/oder – die zeitlichen Verläufe als wenigstens eine parametrische Funktion mit wenigstens einer Eingangsgröße, die eine Zeitabhängigkeit entsprechend dem dynamischen Vorgang aufweist, hinterlegt sind; und/oder – die zeitlichen Verläufe als wenigstens ein inverses dynamisches Modell der Regelstrecke hinterlegt sind, das für einen Sollverlauf den Vorsteuerverlauf berechnet; und/oder – Korrekturen angewendet werden, die als wenigstens ein Kennfeld hinterlegt sind, das von der Änderungsgeschwindigkeit einer Größe, insbesondere der Einspritzmenge und/oder Drehzahl abhängt.
Modellierungsverfahren, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zum Modellieren zumindest eines Verbrennungsmotors, das zum Einsatz in einem Kalibrierungsverfahren zum Kalibrieren des Verbrennungsmotors bestimmt ist, wobei eine Simulationsumgebung (31) verwendet wird, die eine Nachbildung eines Regelungsverfahrens, insbesondere nach Anspruch 19 oder 20, zum Regeln des Verbrennungsmotors und eine Implementierung eines durch das Modellierungsverfahren gebildeten Grey-Box-Modells (10) umfasst.
Modellierungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das zum Einsatz in einem Kalibrierungsverfahren zum Kalibieren zumindest eines Verbrennungsmotors bestimmt ist, mit den Schritten, dass: a) ein Fahrzyklus gewählt wird; b) dann der gesamte Fahrzyklus mit einer aktuellen Applikation simuliert wird; c) dann die Applikation unter Berücksichtigung von Kennfeldglattheit optimiert wird; d) dann die Optimierung verifiziert wird, so dass bei erfolgreicher Verifikation eine Kalibrierung für den Fahrzyklus erhalten wird.
Modellierungsverfahren nach Anspruch 13, wobei nach dem Schritt d) ein anderer Fahrzyklus gewählt wird und dann die Schritte b) bis d) ausgeführt werden.
Modellierungsverfahren nach Anspruch 14, wobei aus den Kalibrierungen der Fahrzyklen ein, bevorzugt gewichteter, Mittelwert gebildet wird.
Modellierungsverfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei eine Optimierung im Schritt c) dadurch erfolgt, dass: – die Güte der Applikation dadurch ermittelt wird, dass wenigstens ein Emissionsverlauf analysiert und/oder wenigstens eine integrale Emission über den Fahrzyklus berechnet wird; und – die Einträge in den Kennfeldern zur Minimierung der Emissionen und/oder der Kennfeldglattheit der Kennfelder angepasst werden.
Modellierungsverfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei eine Verifizierung im Schritt d) direkt am Verbrennungsmotor und/oder an einem den Verbrennungsmotor umfassenden Fahrzeug erfolgt.
Modellierungsverfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei nach dem Schritt d) die Applikation geändert wird und dann die Schritte b) bis d) ausgeführt werden.
Regelungsverfahren zum Regeln zumindest eines Verbrennungsmotors, wobei dynamische Sollwertverläufe und Vorsteuerungen derart verwendet werden, dass mithilfe eines Modellierungsverfahrens, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zum Modellieren des Verbrennungsmotors wenigstens ein Sollwert und wenigstens ein Vorsteuerwert als zeitliche Verläufe dynamisch vorgegeben werden.
Regelungsverfahren nach Anspruch 19, wobei das dynamische Vorgeben der zeitlichen Verläufe dadurch erfolgt, dass: – die zeitlichen Verläufe in wenigstens einem Kennfeld mit wenigstens einer Achse, die der Zeitachse eines bestimmten dynamischen Vorgangs entspricht, hinterlegt sind und bei Erkennen des dynamischen Vorgangs ausgeführt werden; und/oder – die zeitlichen Verläufe als wenigstens eine parametrische Funktion mit wenigstens einer Eingangsgröße, die eine Zeitabhängigkeit entsprechend dem dynamischen Vorgang aufweist, hinterlegt sind; und/oder – die zeitlichen Verläufe als wenigstens ein inverses dynamisches Modell der Regelstrecke hinterlegt sind, das für einen Sollverlauf den Vorsteuerverlauf berechnet; und/oder – Korrekturen angewendet werden, die als wenigstens ein Kennfeld hinterlegt sind, das von der Änderungsgeschwindigkeit einer Größe, insbesondere der Einspritzmenge und/oder Drehzahl abhängt.
Kalibrierungsverfahren zum Kalibrieren zumindest eines Verbrennungsmotors, wobei eine Simulationsumgebung (31) verwendet wird, die eine Nachbildung eines Regelungsverfahrens, insbesondere nach Anspruch 19 oder 20, zum Regeln des Verbrennungsmotors und eine Implementierung eines durch ein Modellierungsverfahren, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zum Modellieren des Verbrennungsmotors gebildeten Grey-Box-Modells umfasst.
Kalibrierungsverfahren nach Anspruch 21, mit den Schritten, dass: a) ein Fahrzyklus gewählt wird; b) dann der gesamte Fahrzyklus mit einer aktuellen Applikation simuliert wird; c) dann die Applikation unter Berücksichtigung von Kennfeldglattheit optimiert wird; d) dann die Optimierung verifiziert wird, so dass bei erfolgreicher Verifikation eine Kalibrierung für den Fahrzyklus erhalten wird.
Kalibrierungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei nach dem Schritt d) ein anderer Fahrzyklus gewählt wird und dann die Schritte b) bis d) ausgeführt werden.
Kalibrierungsverfahren nach Anspruch 23, wobei aus den Kalibrierungen der Fahrzyklen ein, bevorzugt gewichteter, Mittelwert gebildet wird.
Kalibrierungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Op timierung im Schritt c) dadurch erfolgt, dass: – die Güte der Applikation dadurch ermittelt wird, dass wenigstens ein Emissionsverlauf analysiert und/oder wenigstens eine integrale Emission über den Fahrzyklus berechnet wird; und – die Einträge in den Kennfeldern zur Minimierung der Emissionen und/oder der Kennfeldglattheit der Kennfelder angepasst werden.
Kalibrierungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verifizierung im Schritt d) direkt am Verbrennungsmotor und/oder an einem den Verbrennungsmotor umfassenden Fahrzeug erfolgt.
Kalibrierungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei nach dem Schritt d) die Applikation geändert wird und dann die Schritte b) bis d) ausgeführt werden.
Steuergerät für zumindest einen Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs, wobei: – das Steuergerät eine Vorkalibrierung eines dynamischen Verhaltens des Verbrennungsmotors implementiert aufweist; – die Vorkalibrierung Ergebnisse einer Simulation eines Grey-Box-Modells (10) des Verbrennungsmotors enthält, bei der wenigstens ein Bereich des Verbrennungsmotors als Black-Box-Modell (22) und wenigstens ein anderer Bereich des Verbrennungsmotors als White-Box-Modell (11–19) enthalten ist; und – der als White-Box-Modell (11–19) enthaltene Bereich eine geringere Dynamik entwickelt als der als Black-Box-Modell (22) enthaltene Bereich.
Steuergerät nach Anspruch 28, wobei ein Verbrennungsprozess in einem Zylinder als Black-Box-Modell (22) und ein Luftpfad des Verbrennungsmotors als White-Box-Modell (11–19) enthalten ist.
Steuergerät nach einem der Ansprüche 28 oder 29, wobei die Vorkalibrierung mit einer Adaption zur Anpassung von Daten während des Betriebs des Verbrennungsmotors versehen ist.
Steuergerät nach einem der Ansprüche 28 bis 30, wobei die Vorkalibrierung mit einem On-Board-Diagnosesystem des Fahrzeugs verknüpft ist und dortige Daten durch die Vorkalibrierung hinterlegt worden sind.