-
Stand der Technik
-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine,
insbesondere für ein Kraftfahrzeug, wobei die Brennkraftmaschine
ein Luft- und Abgassystem zum Zuleiten von Luft zu mindestens einen
Brennraum der Brennkraftmaschine und zum Ableiten von Abgasen aus
dem Brennraum aufweist und das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Erfassen eines Brennraumdrucks innerhalb des Brennraums der Brennkraftmaschine
und Berechnen einer Stellgröße zum Einstellen
mindestens eines Aktors der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit
von mindestens einer physikalischen Größe der
dem Brennraum zugeleiteten Luft und/oder der von dem Brennraum abgeleiteten
Abgase.
-
Die Publikation
A. Gotter, S. Pischinger: "Flexibler Forschungssteuerrechner
mit pmi-geführter Softwarestruktur für Benzin-Direkteinspritzung",
Tagungsband 2 des 7. Internationalen Stuttgarter Symposiums Automobil-
und Motorentechnik, März 2007, Vieweg-Verlag, S. 27–45,
zeigt eine Steuer- oder Regeleinrichtung für eine Brennkraftmaschine.
Beim Betrieb dieser Steuer- oder Regeleinrichtung wird mittels eines
Brennraumdruckaufnehmers ein Brennraumdruck erfasst und ein entsprechendes
Brennraumdrucksignal erzeugt, das an die Steuer- und/oder Regeleihrichtung
weitergeleitet wird.
-
Ferner
sind aus dem Fachbuch E. Rasmussen, C. K. I. Williams: "Gaussian
processes for machine learning", MIT Press, 2006,
Verfahren des maschinellen Lernens, die auf Gauß-Prozessen
beruhen, bekannt.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
anzugeben, mit dem physikalische Größen der Brennkraftmaschine,
insbesondere des Luft- und Abgassystems, geregelt werden können
und das mit geringem Aufwand und somit kostengünstig realisierbar
ist.
-
Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bei der Steuerung
und/oder Regelung einer Brennkraftmaschine geht es vor allem darum,
eine optimale Verbrennung innerhalb des Brennraums der Brennkraftmaschine
sicherzustellen, um beispielsweise geringe Schadstoffemissionen
und geringe Kraftstoffverbräuche zu erreichen. Erfindungsgemäß wurde
erkannt, dass zum Steuern oder Regeln eines untergeordneten Systems
oder Teilsystems wie das Luft- und Abgassystem der Brennkraftmaschine
Größen, die einen Verbrennungsprozess im Brennraum
unmittelbar charakterisieren, wie der Brennraumdruck herangezogen
werden können und dass die Verbrennung lediglich indirekt
charakterisierende Hilfsgrößen, wie beispielsweise
ein Frischluftmassenstrom, eine Abgasrückführungsrate
(AGR-Rate) oder ein Saugrohr- beziehungsweise Ladedruck nicht erfasst
werden müssen. Ein Kerngedanke der Erfindung besteht also
darin, das Luft- und Abgassystem der Brennkraftmaschine unmittelbar
in Abhängigkeit von dem Brennraumdruck zu steuern beziehungsweise
zu regeln.
-
Durch
die Erfindung wird erreicht, dass zumindest ein Teil der messbaren
physikalischen Größen der dem Brennraum zugeleiteten
Luft und/oder der vom Brennraum angeleiteten Abgase nicht mittels
spezieller Sensoren wie beispielsweise ein Luftmassenstromsensor,
ein Drucksensor, eine Lambdasonde oder dergleichen erfasst werden
müssen, sondern einfach unter Verwendung des Brennraumdrucks,
der beispielsweise mittels eines Brennraumdrucksensors erfasst werden
kann, ermittelt werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren
ersetzt somit real vorhandene Sensoren mit Ausnahme des Brennraumdrucksensors
durch modellbasierte virtuelle Sensoren. Somit können mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren Brennkraftmaschinen
betrieben werden, die relativ wenige Sensoren aufweisen und somit
besonders kostengünstig hergestellt werden können.
-
Bei
der Brennkraftmaschine kann es sich um eine Hubkolbenmaschine, beispielsweise
um eine Diesel-Brennkraftmaschine oder um eine Otto-Brennkraftmaschine
handeln.
-
Es
ist besonders bevorzugt, dass ein Drehwinkel einer Welle, vorzugsweise
einer Kurbelwelle, der Brennkraftmaschine erfasst wird, anhand des
Drehwinkels ein momentanes Volumen des Brennraums ermittelt wird
und die physikalische Größe in Abhängigkeit
von dem Volumen gebildet wird. Bei dem Drehwinkel und dem Volumen
handelt es sich vorzugsweise um Momentanwerte, wobei das momentane
Volumen in Anhängigkeit von dem momentanen Drehwinkel ermittelt
wird. Das von dem Drehwinkel abhängige Volumen des Brennraums
ist von dem geometrischen Aufbau der Brennkraftmaschine, insbesondere
des Brennraums und eines sich innerhalb des Brennraums hin und her
bewegbaren Kolbens, abhängig. Zum Ermitteln des Volumens
kann eine Volumenfunktion beispielsweise in Form einer Berechnungsvorschrift
oder einer Tabelle vorgehalten werden, die den Drehwinkel auf das
Volumen abbildet. Vorzugsweise werden der Brennraumdruck und das
Volumen während einer Rotation der Welle für bestimmte
Werte des Drehwinkels, vorzugsweise in Schritten zu jeweils einem
Grad, erfasst. Auf diese Weise kann der Verlauf des Brennraumdrucks
und des Volumens, die Zustandsgrößen des Verbrennungsprozesses
innerhalb des Brennraums bilden, erfasst werden. Der Brennraumdruck
und der Drehwinkel beziehungsweise das Volumen bilden Eingangsgrößen
zum Ermitteln der physikalischen Größe. Als weitere
Eingangsgrößen können von der Brennkraftmaschine
erzeugter Körperschall, ein Ionenstrom im Brennraum und/oder
eine Last der Brennkraftmaschine erfasst oder ermittelt werden.
-
Weiter
ist bevorzugt, dass zum Ermitteln der mindestens einen physikalischen
Größe mindestens eine Kenngröße
in Abhängigkeit von dem Brennraumdruck und/oder dem Drehwinkel
berechnet wird. Die Kenngröße entspricht also
einem Verbrennungsmerkmal, das den im Brennraum ablaufenden Verbrennungsprozess charakterisiert.
Hierdurch wird erreicht, dass viele Wertepaare, die jeweils einen
Wert für den Brennraumdruck und einen Wert für
den Drehwinkel umfassen, zu einer oder einigen wenigen Kenngrößen
verdichtet werden. Es kann vorgesehen werden, dass die Kenngröße
für einen bestimmten Zylinder und/oder für die
Dauer eines Arbeitsspiels der Brennkraftmaschine berechnet wird.
Anhand dieser Kenngröße wird dann die physikalische Größe
ermittelt. Bevor die physikalische Größe ermittelt
wird, wird also zunächst in Anhängigkeit von den
Eingangsgrößen die Kenngröße
berechnet, die dann zum Ermitteln der physikalischen Größe
herangezogen wird. Es ist auch denkbar, anstelle die Kenngröße
bzw. die physikalische Größe für die
Dauer eines Arbeitsspiels zu ermitteln, einen Verlauf der physikalischen
Größe und/oder der Kenngröße
in Abhängigkeit von dem Verlauf des Drehwinkels innerhalb
des Arbeitsspiels zu ermitteln.
-
Als
Kenngröße können beispielsweise die folgenden
Größen herangezogen werden: Ein indizierter Mitteldruck;
ein Drehwinkel, bei dem zumindest in etwa die Hälfte der
Energie eines im Brennraum befindlichen Kraftstoffs umgesetzt wurde
(z. B. Lage des 50-Prozent-Umsatzpunktes); eine Verbrennungsdauer;
ein maximaler Druckgradient des Brennraumdrucks; ein maximaler Brennraumdruck;
ein Druck bei einem vorgegebenen Drehwinkel vor dem Einsetzen der
Verbrennung; der Drehwinkel, bei dem der maximale Brennraumdruck auftritt;
und/oder der Drehwinkel, bei dem der Druckgradient maximal ist.
Darüber hinaus kann zum Ermitteln der physikalischen Größe
ein von einer Drehzahl der Welle und einer Last, insbesondere eines
Lastmoments, der Brennkraftmaschine charakterisierter Betriebspunkt
der Brennkraftmaschine berücksichtigt werden.
-
In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
ist vorgesehen, dass die physikalische Größe mittels
eines datenbasierten Modells eines Zusammenhangs zwischen der Kenngröße
und der physikalischen Größe, vorzugsweise als
Mittelwert über einen vorgegebenen Bereich des Drehwinkels,
ermittelt wird. Der vorgegebene Bereich des Drehwinkels kann einem
Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine entsprechen. Ein datenbasiertes
Modell umfasst eine Datenbasis, mit deren Hilfe mittels eines Regressionsverfahrens anhand
der Kenngröße auf einen Wert der physikalischen
Größe geschlossen werden kann. Es kann also auf eine
aufwändige und komplizierte explizite Modellierung der
komplexen physikalischen Zusammenhänge zwischen dem Verbrennungsprozess
und den physikalischen Größen der dem Brennraum
zugeleiteten Luft verzichtet werden, wodurch die Realisierung des
Verfahrens erheblich erleichtert wird. Es wird also zunächst
anhand des Verlaufs des Brennraumdrucks und des Volumens, vorzugsweise
mittels Signalverarbeitungsmittel, die mindestens eine Kenngröße
berechnet und anschließend in Abhängigkeit von
der Kenngröße mittels des datenbasierten Modells
die physikalische Größe ermittelt.
-
Hierbei
ist bevorzugt, dass mittels des datenbasierten Modells ein Vertrauensmaß ermittelt
wird, das ein Vertrauensintervall der ermittelten physikalischen
Größe charakterisiert. Hierdurch kann beim Betrieb
der Brennkraftmaschine die Güte der mittels des datenbasierten
Modells geschätzten Werte der physikalischen Größe überprüft
werden. Falls das Vertrauensmaß außerhalb eines
zulässigen Bereichs liegt, können geeignete Aktionen
ausgelöst beziehungsweise durchgeführt werden.
-
Es
kann vorgesehen werden, dass zum Erfassen des Zusammenhangs zwischen
der Kenngröße und der physikalischen Größe
das Modell kalibriert wird, indem die Kenngröße
und die physikalische Größe zusammen, vorzugsweise
gleichzeitig, erfasst werden und Trainingsdaten für das
Modell aus der erfassten Kenngröße und der erfassten
physikalischen Größe berechnet werden. Es wird
also ein Verfahren des maschinellen Lernens zum Kalibrieren des
Modells verwendet. Geeignete Verfahren sind beispielsweise Support-Vektor-Machines
(SVM), neuronale Netze und/oder Gauss-Prozesse.
-
Vorzugsweise
wird das datenbasierte Modell global, d. h. zumindest weitgehend
im gesamten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine kalibriert.
-
Es
ist besonders bevorzugt, dass das für einen bestimmten
Typ der Brennkraftmaschine vorkalibriert wird. Hierbei kann vorgesehen
werden, dass das Vorkalibrieren mit einer speziellen Brennkraftmaschine,
die denselben Grundaufbau aufweist wie diejenige Brennkraftmaschine,
mit der die weiteren Schritte des Verfahrens ausgeführt
werden soll, jedoch zusätzlich Sensoren zum Erfassen der
mindestens einen physikalischen Größe aufweist.
Die spezielle Brennkraftmaschine kann in ein speziell ausgerüstetes
Probefahrzeug, das sich von in einer Serie hergestellten Kraftfahrzeugen
unterscheidet, eingebaut sein. Hierbei können Werte der
physikalischen Größe zusammen mit Werte für
den Verlauf des Brennraumdrucks und des Brennraumvolumens und/oder
zusammen mit Werte der Kenngröße während
des Betriebs der Brennkraftmaschine gespeichert werden und nach
dem Betrieb der Brennkraftmaschine, das heißt offline,
ausgewertet werden, um die Trainingsdaten zu berechnen.
-
Für
den Fall, dass die Brennkraftmaschine einen Sensor zum Erfassen
zumindest einer physikalischen Größe aufweist,
kann das Modell während des Betriebs der Brennkraftmaschine
nachkalibriert werden. Bei einer solchen Nachkalibrierung wird das
Modell durch ein so genanntes Online-Training aktualisiert.
-
Das
Nachkalibrieren kann ausgelöst werden, wenn das Vertrauensmaß der
physikalischen Größe außerhalb eines
zulässigen Bereichs liegt. Durch das Nachkalibrieren wird
die Datenbasis des Modells korrigiert und/oder erweitert, so dass
es in der Lage ist, die physikalische Größe mit
einem besseren Vertrauensmaß zu ermitteln.
-
Vorzugsweise
weist die Brennkraftmaschine mehrere Brennräume auf, und
der Brennraumdruck beziehungsweise die Kenngröße
werden nur für einen Brennraum erfasst beziehungsweise
ermittelt. Eine solche Leitzylinder-Lösung ermöglicht
eine relativ kostengünstige Realisierung des Verfahrens.
-
Um
das Verfahren vergleichsweise zuverlässig ausführen
zu können und um eine Diagnose der einzelnen Brennräume
der Brennkraftmaschine zu ermöglichen, kann alternativ
hierzu vorgesehen werden, dass der Brennraumdruck beziehungsweise
die Kenngröße für jeden Brennraum der
Brennkraftmaschine gesondert ermittelt wird. Hierbei kann ein zeitlicher
Mittelwert der Kenngrößen der einzelnen Brennräume
berechnet werden, so dass die physikalische Größe
individuell für jeden Brennraum berechnet werden kann (zylinderindividuelle
Berechnung). Alternativ oder ergänzend hierzu kann auch
ein Mittelwert der Kenngröße über die
einzelnen Brennräume der Brennkraftmaschine hinweg gebildet
werden. Auf diese Weise wird die physikalische Größe
global für die Brennkraftmaschine in ihrer Gesamtheit berechnet
(zylinderglobale Berechnung).
-
Mit
Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können
eine Vielzahl von physikalischen Größen des Luft-
und Abgassystems ermittelt werden. Es ist jedoch bevorzugt, dass
als physikalische Größe ein Luftmassenstrom der über
ein Saugrohr zum Brennraum zugeleiteten Luft, ein Saugrohrdruck
zwischen einer Drosselvorrichtung des Saugrohrs zum Drosseln des
Luftmassenstroms und dem Brennraum, ein Abgasrückführanteil und/oder
ein Luftzahl der Abgase ermittelt werden. Das Luft- und Abgassystem
der Brennkraftmaschine kann eine Aufladevorrichtung aufweisen. In
diesem Fall kann anstelle des Saugrohrdrucks oder zusätzlich
zum Saugrohrdruck als physikalische Größe ein
Ladedruck, das heißt ein Druck in einem Bereich des Saugrohrs zwischen
der Aufladevorrichtung und der Drosselvorrichtung ermittelt werden.
Dadurch dass die Luftzahl direkt anhand des Brennraumdrucks ermittelt
wird, kann eine in dem Luft- und Abgassystem üblicherweise
vorgesehene Lambdasonde entfallen.
-
Es
ist bevorzugt, dass als Stellgröße ein erstes
Stellsignal zum Einstellen eines Öffnungsgrades der Drosselvorrichtung,
ein zweites Stellsignal zum Einstellen eines Öffnungsgrades
eines Abgasrückführventils und/oder eine dritte
Stellgröße zum Einstellen eines Ladedruckstellers
der Aufladevorrichtung der Brennkraftmaschine berechnet werden.
Bei der Aufladevorrichtung kann es sich um einen Abgasturbolader,
vorzugsweise um einen Abgasturbolader mit variabler, mittels des
Ladedruckstellers verstellbaren Turbinengeometrie oder mit einem
mittels des Ladedruckstellers einstellbaren Bypass-Ventil handeln.
-
Als
weitere Lösung der Aufgabe wird eine Steuer- oder Regeleinrichtung
für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs
14 vorgeschlagen. Wird eine Brennkraftmaschine mit einer solchen
Steuer- und/oder Regeleinrichtung ausgestattet, dann können
die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens
auf einfache Weise realisiert werden. Insbesondere kann die Anzahl
der Sensoren des Luft- und Abgassystems reduziert werden. Im Idealfall
kann auf diese Sensoren sogar vollständig verzichtet werden.
Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung kann somit in Verbindung mit
relativ kostengünstigen Brennkraftmaschinen eingesetzt
werden.
-
Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung, in welcher exemplarische Ausführungsformen
anhand der Zeichnungen näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
-
1 eine
schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine;
-
2 eine
schematische Darstellung eines Steuergeräts der Brennkraftmaschine
aus 1;
-
3 ein
Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine;
-
4 ein
Diagramm eines Brennraumdrucks und eines Brennraumvolumens in Abhängigkeit
von einem Drehwinkel einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine;
-
5 ein
Diagramm eines Heizverlaufs eines Verbrennungsvorgangs in einem
Brennraum der Brennkraftmaschine; und
-
6 ein
Diagramm eines Druckgradienten des Brennraumdrucks in Abhängigkeit
von dem Drehwinkel der Kurbelwelle.
-
Die
in 1 gezeigte als Dieselbrennkraftmaschine ausgeführte
Brennkraftmaschine 11 weist einen Motorblock 13 mit
mehreren Brennräumen 15 auf, von denen jedoch
nur einer dargestellt ist. An dem Brennraum 15 ist ein
Luft- und Abgassystem 17 angeordnet. Das Luft- und Abgassystem 17 umfasst
ein Saugrohr 19, ein Abgasrohr 21 und einen Abgasrückführungskanal 23.
-
Das
Saugrohr 19 endet an einem Einlass des Brennraums 15,
der mittels eines nicht dargestellten Einlassventils verschließbar
ist. In dem Saugrohr 19 ist ein Verdichter 25 eines
Abgasturboladers 27 angeordnet. Zwischen dem Verdichter 25 und
dem Brennraum 15 weist das Saugrohr 19 eine Drosselvorrichtung 29 auf. Das
Abgasrohr 21 ist an einem Auslass des Brennraums 15 angeordnet,
der mit einem nicht gezeigten Auslassventil verschließbar
ist. Innerhalb des Abgasrohrs 21 ist eine Turbine 31 des
Abgasturboladers 27 angeordnet. Die Turbine 31 weist
eine variable Turbinengeometrie auf, welche mittels eines Ladedruckstellers 33 des
Abgasturboladers 27 verstellbar ist.
-
Der
Abgasrückführungskanal 23 verbindet einen
Abschnitt des Abgasrohrs 21 zwischen dem Auslass des Brennraums 15 und
der Turbine 31 mit einem Abschnitt des Saugrohrs 19 zwischen
dem Verdichter 25 und dem Einlass des Brennraums 15.
Ein Öffnungsgrad des Abgasrückführungskanals 23 ist
mittels eines am Abgasrückführungskanal 23 angeordneten
einstellbaren Abgasrückführungsventils 35 einstellbar.
Bei Bedarf kann der Abgasrückführungskanal 23 mittels
des Abgasrückführungsventils 35 vollständig
verschlossen werden.
-
In
Strömungsrichtung (Pfeil 37) vor dem Verdichter 25 ist
im Saugrohr 19 ein Luftmassenstromsensor 39 zum
Erfassen eines Luftmassenstroms mL von in das Saugrohr 19 einströmender
Luft 40 angeordnet. Ferner weist das Saugrohr 19 zwischen
der Drosselvorrichtung 29 und dem Einlass des Brennraums 15 einen Temperatursensor 41 zum
Erfassen einer Ladelufttemperatur t2 sowie
einen Saugrohrdrucksensor 43 zum Erfassen eines Saugrohrdrucks
p2 im Abschnitt des Saugrohrs 19 zwischen
dem Verdichter 25 und dem Einlass des Brennraums 15 auf.
In der gezeigten Ausführungsform ist der Saugrohrdrucksensor 43 in
Strömungsrichtung 37 nach einer Mischstelle, das
heißt in Strömungsrichtung 37 hinter
einer Mündung des Abgasrückführungskanals 23 in
das Saugrohr 19 angeordnet. Abweichend hiervon kann der
Saugrohrdrucksensor 43 auch in Strömungsrichtung 37 vor
dieser Mischstelle angeordnet werden. Anstelle des Saugrohrdruckssensors 43 kann
auch ein Ladedrucksensor (nicht gezeigt) zum Erfassen eines Laderucks
p2 innerhalb des Saugrohrs 19 zwischen
dem Verdichter 25 und der Drosselvorrichtung 29 vorgesehen
werden.
-
Der
Brennraum 15 weist einen Brennraumdrucksensor 45 zum
Erfassen eines Brennraumdrucks p auf. Der Brennraum 15 ist
derart mechanisch mit einer Kurbelwelle 47 der Brennkraftmaschine 11 gekoppelt, dass
ein eindeutiger Zusammenhang zwischen einem Drehwinkel φ der
Kurbelwelle 47 und einem Volumen V des Brennraums 15 besteht.
An der Kurbelwelle 47 ist ein Kurbelwellensensor 49 zum
Erfassen des momentanen Drehwinkels φ der Kurbelwelle 47 angeordnet.
-
Ferner
weist die Brennkraftmaschine 11 ein nicht näher
beschriebenes Kraftstoffsystem 51 auf, das beispielsweise
als ein Einspritzsystem ausgebildet sein kann.
-
Der
Luftmassenstromsensor 39, der Temperatursensor 41,
der Saugrohrdrucksensor 43, der Brennraumdrucksensor 45 sowie
der Kurbelwellensensor 49 sind mit einem Steuergerät 53 der
Brennkraftmaschine 11 verbunden. Ausgänge des
Steuergeräts 53 sind mit den Aktoren der Brennkraftmaschine 11,
nämlich der verstellbaren Drosselvorrichtung 29,
dem verstellbaren Abgasrückführungsventil 35 und
mit dem Ladedrucksteller 33 verbunden.
-
Wie
in 2 dargestellt ist, umfasst das Steuergerät 53 Signalverarbeitungsmittel 55.
Die Signalverarbeitungsmittel 55 weisen einen Eingang auf,
an welchem ein Ausgang des Brennraumdrucksensors 45 angeschlossen
ist. An einem weiteren Eingang der Signalverarbeitungsmittel 55 ist
ein Ausgang des Kurbelwellensensors 49 angeschlossen.
-
Ferner
weisen die Signalverarbeitungsmittel 55 mehrere Ausgänge
zum Ausgeben von Kenngrößen 57 eines
im Brennraum 15 ablaufenden Verbrennungsprozesses auf.
Die Kenngrößen 57 werden weiter unten im
Detail beschrieben.
-
Die
Ausgänge der Signalverarbeitungsmittel 55 zum
Ausgeben der Kenngrößen 57 sind mit entsprechenden
Eingängen von Schätzmitteln 59 zum Schätzen
physikalischer Größen insbesondere des Luft- und Abgassystems 17 der
Brennkraftmaschine 11 verbunden. Ein weiterer Eingang der
Schätzmittel 59 ist mit einem Ausgang von Rechenmittel 61 zum
Berechnen einer Last l der Brennkraftmaschine 11 verbunden.
Die Schätzmittel 59 weisen ein datenbasiertes
Modell 63 mit einer Datenbasis 65 auf. Die Schätzmittel 59 weisen einen
Ausgang zum Ausgeben geschätzter Istwerte 60 der
physikalischen Größen, insbesondere zum Ausgeben
eines geschätzten Istwerts p2i des
Saugrohrdrucks p2 (bzw. des Ladedrucks p2),
einen Ausgang zum Ausgeben eines geschätzten Istwerts einer
Abgasrückführungsrate rAGRi und
einen Ausgang zum Ausgeben eines geschätzten Istwerts mLi des Luftmassenstroms mL auf. Die letztgenannten
Ausgänge sind an entsprechende Eingänge eines
Regelelements 67 zum Regeln des Luft- und Abgassystems 17 angeschlossen.
-
Das
Steuergerät 53 weist außerdem einen Sollwertgeber 69 auf,
wobei ein Ausgang des Sollwertgebers 69 zum Ausgeben eines
Sollwertvektors R, der mindestens einen Sollwert umfasst, an einen
weiteren Eingang des Regelelements 67 angeschlossen ist.
Eingänge des Sollwertgebers 69 sind mit dem Ausgang
der Rechenmittel 61 sowie mit dem Brennraumdrucksensor 45 und
dem Kurbelwellensensor 49 verbunden.
-
Das
Regelelement 67 weist einen ersten Ausgang zum Erzeugen
eines ersten Stellsignals s1 auf, der an
die Drosselvorrichtung 29 angeschlossen ist. Ein zweiter
Ausgang des Regelelements 67 zum Erzeugen eines zweiten
Stellsignals s2 ist mit dem Abgasrückführungsventil 35 verbunden.
Ein dritter Ausgang des Regelelements 67 zum Erzeugen eines
dritten Stellsignals s3 ist an den Ladedrucksteller 33 angeschlossen.
-
Es
kann vorgesehen werden, dass die Schätzmittel 59 zusätzlich
Eingänge aufweisen, an die der Luftmassenstromsensor 39,
der Temperatursensor 41 und der Saugrohrdrucksensor 43 angeschlossen
sind.
-
Ferner
kann vorgesehen werden, dass die Schätzmittel 59 zusätzlich
einen weiteren Ausgang zum Ausgeben eines Signals, das einen geschätzten
Ist-Wert λi einer Luftzahl charakterisiert.
Dieser Ausgang kann mit einem entsprechenden Eingang des Regelelements 67 verbunden
sein.
-
Beim
Betrieb der Brennkraftmaschine 11 wird über das
Saugrohr 19 Frischluft angesaugt und mittels des Verdichters 25 verdichtet.
Falls das Abgasrückführungsventil 35 nicht
vollständig geschlossen ist, wird der Frischluft ein gewisser
Anteil an Abgasen 70 zugemischt, so dass die dem Brennraum 15 zugeführte
Luft 40 ein Gemisch aus Frischluft und den Abgasen 70 darstellt.
Während das Luft- und Abgassystem 17 dem Brennraum 15 Luft
zuführt und über das Abgasrohr 21 Abgase 70 abführt,
führt das Kraftstoffsystem 51 dem Brennraum 15 Kraftstoff
zu, der dann bei geschlossenem Einlassventil und Auslassventil verbrannt
wird. Die bei dem entsprechenden Verbrennungsprozess innerhalb des
Brennraums 15 entstehende Energie wird in ein Drehmoment
an der Kurbelwelle 47 bzw. in eine Drehbewegung der Kurbelwelle 47 umgesetzt.
Zur Steuerung und/oder Regelung des Luft- und Abgassystems 17 stellt
das Steuergerät 53 die Aktoren 29, 33 und 35 so
ein, dass sich bestimmte Zielgrößen des Luft-
und Abgassystems 17, wie beispielsweise der Luftmassenstrom
mL, die Ladelufttemperatur t2 oder der Saugrohrdruck
p2 (bzw. der Ladedruck p2), auf einen gewünschten
Wert einstellen. Der gewünschte Wert kann mittels des Sollwertgebers 69 vorgegeben
werden, wobei der Sollwertgeber 69 den gewünschten
Wert als Sollwert innerhalb des Sollwertvektors R dem Regelelement 67 zu
Verfügung stellt. Als Eingangsgröße verwendet
das Steuergerät 53 lediglich den Brennraumdruck
p für verschiedene Werte des Drehwinkels φ. Hierzu
erfasst das Steuergerät 53 mittels des Brennraumdrucksensors 45 für
vorgegebene Drehwinkel φ, nämlich in Schritten
zu jeweils 1°, den Brennraumdruck p. Abweichend von den Schritten
von jeweils 1° können auch Schritte von beispielsweise
0,5° 2°, 2,5° usw. vorgesehen werden.
-
Im
Folgenden wird anhand der 3–6 ein
von dem Steuergerät 53 ausgeführtes Verfahren 71 zum
Betreiben der Brennkraftmaschine 11 näher erläutert.
Nach einem Start 73 des Verfahrens 71 werden in einem
ersten Schritt 75 die Schätzmittel 59 vorkalibriert.
Dieses Vorkalibrieren 75 kann nur in Verbindung mit einer
solchen Brennkraftmaschine 11 ausgeführt werden,
die die Sensoren 39, 41 und 43 sowie
gegebenenfalls eine am Abgasrohr 21 angeordnete Lambdasonde
(nicht gezeigt) aufweist. Bei einer solchen Brennkraftmaschine 11 kann
es sich um eine speziell für Prüfzwecke hergestellte
Brennkraftmaschine 11 handeln, die beispielsweise in einem
Prüfstand oder in einem Probefahrzeug betrieben wird. Beim
Vorkalibrieren 75 werden für verschiedene Betriebszustände
der Brennkraftmaschine 11 die Kenngrößen 57 mittels
der Signalverarbeitungsmittel 55 berechnet und anhand der
berechneten Kenngrößen 57 und den mittels
der Sensoren 39, 41 und 43 erfassten
Sensorgrößen mL, t2 und
p2 Trainingsdaten berechnet und in die Datenbasis 65 des
datenbasierten Modells 63 eingefügt. Beim Vorkalibrieren 75 wird
nach Möglichkeit zumindest annähernd der gesamte Betriebsbereich
der Brennkraftmaschine 11 durchlaufen, so dass für
eine möglichst große Zahl an möglichen
Betriebspunkten der Brennkraftmaschine 11 Trainingsdaten
für das datenbasierte Modell 63 generiert werden.
-
Es
kann vorgesehen werden, dass bei serienmäßig hergestellten
Exemplaren der Brennkraftmaschine 11 die Sensoren 39, 41 und 43 nicht
vorgesehen sind oder nur ein Teil dieser Sensoren 39, 41, 43 vorhanden ist.
In diesem Fall ist bei dem für eine solche Brennkraftmaschine 11 ausgeführten
Verfahren 71 der Schritt 75 zum Vorkalibrieren
der Schätzmittel 59 nicht vorhanden. Der Schritt 75 muss
nur dann ausgeführt werden, wenn die Datenbasis 65 noch
nicht eine ausreichende Menge von Trainingsdaten umfasst. Dies ist
beispielsweise der Fall, wenn ein bestimmter Typ der Brennkraftmaschine 11 erstmals
mit dem Verfahren 71 betrieben wird.
-
Anschließend
wird in einem Schritt 77 der Verlauf des Drehwinkels φ zusammen
mit dem Verlauf des Brennraumdrucks p erfasst. Hierbei werden einzelne
Wertepaare des Drehwinkels φ und des Brennraumdrucks p
in konstanten Intervallen des Drehwinkels von beispielsweise Δφ =
1° erfasst. In einer anderen Ausführungsform kann
auch ein anderes Intervall Δφ vorgesehen werden,
das nicht konstant sein muss, sondern auch variabel sein kann.
-
Im
oberen Diagramm der 4 ist ein im Schritt 77 erfasster
Verlauf p(φ) des Brennraumdrucks p in Abhängigkeit
von dem Drehwinkel φ für ein gesamtes Arbeitsspiel
der Brennkraftmaschine 11, das heißt für einen
Drehwinkelbereich von 720° der Kurbelwelle 47 dargestellt.
-
Anschließend
wird in einem Schritt 79 ein Verlauf V(φ) des
momentanen Volumens V des Brennraums 15 in Abhängigkeit
von dem Drehwinkel φ ermittelt. Der Zusammenhang zwischen
dem Drehwinkel φ und dem Volumen V hängt vom Aufbau
der Brennkraftmaschine 11 ab. Dieser Zusammenhang kann
beispielsweise in Form einer Tabelle, eines Kennfelds oder einer
Berechnungsvorschrift im Steuergerät 53 gespeichert
sein. Der Verlauf V(φ) des Volumens V ist im unteren Diagramm
der 4 dargestellt. Man erkennt, dass das Volumen V
in unteren Totpunkten UT minimal ist und an einem oberen Totpunkt
OT einer Gaswechselphase oder einem oberen Totpunkt einer Arbeitsphase
(Zünd-OT, ZOT) maximal ist. Ein Hubvolumen ΔV
entspricht einer Differenz des Volumens V an den oberen Totpunkten
OT, ZOT und einem Volumen Vor an dem unteren Totpunkt OT, d. h. ΔV
= VOT – VUT.
-
In
einem auf den Schritt 79 folgenden Schritt 81 werden
in Abhängigkeit von dem Druckverlauf p(φ) und
dem Volumenverlauf V(φ) die Kenngrößen 57 berechnet.
-
Als
erste Kenngröße wird ein indizierter Mitteldruck
pmi unter Verwendung der Formel
berechnet.
-
Als
weitere Kenngröße wird der Winkel AQ50, bei dem
in etwa die Hälfte des im Brennraum
15 befindlichen
Kraftstoffs verbrannt ist, berechnet. Dieser Winkel wird auch als ”Verbrennungslage
MFB50” oder als ”Lage des 50%-Umsatzpunktes” bezeichnet.
Zu diesem Zweck wird zunächst aus dem Druckverlauf p(φ)
und dem Volumenverlauf V(φ) ein Heizverlauf Q(φ)
unter Verwendung der Gleichung
berechnet,
wobei k einem konstanten Polytropenexponenten entspricht. Hierbei
kann beispielsweise über ein Intervall J integriert werden,
das etwa 70° vor dem oberen Totpunkt der Arbeitsphase ZOT
beginnt und in etwa 70° danach endet, d. h. J = [ZOT – 70°,
ZOT + 70°].
-
Der
auf diese Weise berechneter Heizverlauf Q(φ) ist in der 5 dargestellt.
In dieser Darstellung sind auch ein vorgegebener minimaler Wert
Qmin und ein vorgegebener maximaler Wert
Qmax des Heizverlaufs Q von φ eingetragen.
Der Winkel AQ50 ist derjenige Winkel φ, für den
der Heizverlauf den Wert Q(φ) = Qmin + ΔQ/2
aufweist, wobei ΔQ = Qmax – Qmin die Differenz zwischen dem maximalen
Wert Qmax und dem minimalen Wert Qmin ist.
-
Als
weiterer Parameter wird die Verbrennungsdauer deltaAQ ermittelt.
Die Kenngröße deltaAQ ist eine Winkeldifferenz
zwischen dem Winkel AQ90 und dem Winkel AQ10. Der Winkel AQ90 ist
derjenige Winkel, bei dem der Heizverlauf Q(φ) = Qmin + 0,9·ΔQ beträgt.
Dementsprechend ist der Winkel AQ10 der Winkel, bei dem der Heizverlauf
Q(φ) = Qmin + 0,1·ΔQ
beträgt. Abweichend hiervon können in anderen
Ausführungsformen auch andere Winkelwerte zum Berechnen
der Verbrennungsdauer deltaAQ herangezogen werden. Beispielsweise
kann die Verbrennungsdauer gemäß der Gleichung
deltaAQ = AQ85 – AQ15 berechnet werden. Hierbei ist AQ15
der Winkel, bei dem Q(φ) = Qmin + 0,15·ΔQ
gilt und AQ85, der Winkel für den Q(φ) = Qmin + 0,85·deltaQ gilt.
-
Ferner
kann als Kenngröße ein Maximalwert pmax des
Brennraumdrucks und ein dazu gehöriger Wert des Drehwinkels φ =
Apmax ermittelt werden (siehe oberes Diagramm
der 4).
-
Als
weitere Kenngröße wird ein Druck p0 bei
einem vorgegebenen Winkel φ0 vor
Einsetzen der Verbrennung ermittelt. In der gezeigten Ausführungsform
wird der Winkel p0 nicht direkt aus dem
Druckverlauf p von φ ermittelt, sondern im Bereich des
vorgegebenen Winkels φ0 wird beispielsweise
unter Verwendung der Methode der kleinsten Quadrate eine Adiabate 83 berechnet,
die dem Verlauf des Brennraumdrucks p(φ) näherungsweise
entspricht. Auf diese Weise werden Fehler von einzelnen Werten des
Druckverlaufs p von φ, die von einem Rauschen herrühren,
das einem von dem Brennraumdrucksensor 45 erzeugten Sensorsignal überlagert
ist (Sensorrauschen), zumindest weitgehend eliminiert. In einer
nicht gezeigten Ausführungsform wird der Druckwert p0 direkt aus dem Druckverlauf p(φ)
für φ = φ0 ermittelt.
-
Außerdem
werden auch Kenngrößen, die aus einer Ableitung
(Druckgradient) des Druckverlaufs p(φ) nach dem Drehwinkel φ abgeleitet
sind, verwendet. Der Verlauf des Druckgradienten dp/dφ ist
in 6 schematisch dargestellt. Als Kenngrößen
werden zum einen ein maximaler Wert dpmax des Druckgradienten und zum
anderen ein zugehöriger Winkel Adpmax ermittelt.
-
Nachdem
die Kenngrößen 57 im Schritt 81 berechnet
worden sind, werden die Kenngrößen 57 den Schätzmitteln 59 zugeleitet.
Anschließend berechnen die Schätzmittel 59 in
einem Schritt 85 geschätzte Istwerte mLi, t2i, p2i und rAGRi für
die einzelnen physikalischen Größen, das heißt
für den Luftmassenstrom mL im Saugrohr 19, für
die Ladelufttemperatur t2, für
den Saugrohrdruck p2 sowie für
die Abgasrückführrate rAGR, berechnet. Anschließend
wird in einem Schritt 87 für die einzelnen physikalischen
Größen jeweils ein Vertrauensmaß L(mL),
L(t2), L(p2) sowie
L(rAGR) ermittelt. Zusätzlich kann auch ein Wert λi der Luftzahl λ sowie ein zugehöriges
Vertrauensmaß L(λ) berechnet werden. Die ermittelten
Werte, mLi, p2i,
rAGRi, λi und
vorzugsweise auch die zugehörigen Vertrauensmaße
L(p2), L(rAGR), L(mL) und L(λ) werden dem Regelelement 67 zugeleitet.
Das Regelelement 67 regelt in Abhängigkeit von
dem Sollwertvektor R und den geschätzte Istwerte mLi, t2i, P2i und rAGRi der
physikalischen Größen das Luft- und Abgassystem 17,
indem es die Drosselvorrichtung 29, das Abgasrückführungsventil 35 und
den Ladedrucksteller 33 mit den Stellsignalen s1, s2 beziehungsweise s3 entsprechend ansteuert.
-
Zum
Berechnen der Werte der physikalischen Größen
mL, t2, p2, rAGR, λ und
der zugehörigen Vertrauensmaße L(mL), L(12), L(p2), L(rAGR),
L(λ) greifen die Schätzmittel 59 auf
das datenbasierte Modell 63 mit der durch das Vorkalibrieren 75 trainierten
Datenbasis 65 zurück. Hierbei kann ein Regressionsverfahren
angewendet werden, das auf einem probabilistischen, Bayes-basierten
Ansatz der Interpretation der in der Datenbasis 65 vorhandenen
Trainingsdaten beruht, verwendet werden. Derartige Verfahren eignen
sich auch für verrauschte Daten, das heißt wenn
das Sensorsignal p des Brennraumdrucksensors 45 und/oder
die Sensorsignale des Luftmassenstromsensors 39, des Temperatursensors 41 oder
des Saugrohrdrucksensor 43 von einem Rauschen überlagert
sind. Hierbei wird basierend auf den Trainingsdaten eine bestimmte
Wahrscheinlichkeit für eine Ausgabe des Modells 63 ermittelt.
Die hierzu notwendigen Parameter des Modells 63 werden durch
eine Maximierung einer Posteriori-Wahrscheinlichkeit, das heißt
einer so genannten Likelihood-Funktion, beispielsweise mittels eines
Gradientenverfahrens berechnet. Die Likelihood-Funktion gibt die
Wahrscheinlichkeit dafür an, mit der das Modell 63 die
beim Kalibrieren beobachteten Trainingsdaten reproduzieren kann.
Ein solcher Modellierungsansatz, auf dem das datenbasierte Modell 63 beruhen
kann, ist im Fachbuch E. Rasmussen, C. K. I. Williams: "Gaussian
processes for machine learning", MIT Press, 2006 allgemein,
d. h. ohne Bezugnahme auf die hier gezeigte Anwendung in der Kraftfahrzeugtechnik,
beschrieben.
-
Was
den Zusammenhang zwischen den Kenngrößen 57 und
den physikalischen Größen mL, t2,
p2, rAGR, λ angeht, ist zu erwarten,
dass der Luftmassenstrom mL und die Abgasrückführrate
rAGR vor allem von der Lage des 50%-Umsatzpunktes AQ50, dem maximalen
Wert dpmax des Druckgradienten und der Verbrennungsdauer deltaAQ
abhängt, wobei eine Gewichtung, der einzelnen Größen
mL, AQ50, deltaAQ untereinander beim Zusammenhang dieser Größen
mit dem Luftmassenstrom mL sich von der Gewichtung dieser Größen
beim Zusammenhang dieser Größen mit der Abgasrückführrate
rAGR unterscheidet. Ferner ist zu erwarten, dass der Saugrohrdruck
p2 vor allem von dem Druck p0 bei
dem vorgegebenen Winkel φ0, dem
Maximalwert pmax des Brennraumdrucks, dem maximalen Wert dpmax des
Druckgradienten sowie vom indizierten Mitteldruck pmi abhängt.
-
In
einem Schritt 89 wird überprüft, ob zumindest
ein Teil der ermittelten Vertrauensmaße L(mL), L(t2), L(p2), L(rAGR),
L(λ) innerhalb eines zulässigen Bereichs Z liegt.
Ist dies nicht der Fall (n), dann wird ein Nachkalibrierungsschritt 91 ausgeführt,
bei dem die Datenbasis 65 unter Verwendung der mittels
der Sensoren 39, 41 und 43 erfassten
Größen mL, t2 und p2 aktualisiert beziehungsweise erweitert
wird. Der im Nachkalibrierungsschritt 91 durchgeführte
Ablauf entspricht im Wesentlichen dem oben bereits beschriebenen
Vorkalibrieren 75. Die Schritte 89 und 91,
die das Nachkalibrieren betreffen, sind im Verfahren 71 nur
dann vorgesehen, wenn in der mit dem Verfahren 71 betriebenen
Brennkraftmaschine 11 die zum Kalibrieren des datenbasierten Modells 63 benötigten
Sensoren 39, 41 und 43 vorhanden sind.
Soll die Brennkraftmaschine 11 also kostengünstig
ohne die Sensoren 39, 41 und 43 realisiert
werden, entfallen die Schritte 89 und 91.
-
Schließlich
kehrt das Verfahren 71 zum Schritt 77 zurück,
so dass neue Werte für den Druckverlauf p von φ erfasst
werden können und die Istwerte der physikalischen Größen
beziehungsweise die zugehörigen Vertrauensmaße
neu berechnet werden können.
-
In
einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass alternativ
oder zusätzlich zu den physikalischen Größen
des Luft- und Abgassystems 17 weitere physikalische Größen
(in 2 dargestellt als Vektor X) des Kraftstoffsystems 51 mittels
der Schätzmittel 59 ermittelt werden. Diese können,
wie in 2 gestrichelt eingezeichnet, einem weiteren Regelelement 95 zum
Regeln des Kraftstoffsystems 51 zugeleitet werden. Das weitere
Regelelement 95 erzeugt insbesondere in Abhängigkeit
von den weiteren physikalischen Größen X weitere
Stellsignale (dargestellt als Stellsignalvektor Y). Der Vektor X
kann Vertrauensmaße der weiteren physikalischen Größen
umfassen.
-
Ferner
kann vorgesehen werden, dass zusätzlich oder alternativ
zum mittels des Brennraumdrucksensors 45 erfassten Brennraumdrucks
p(φ) weitere Größen, die den Verbrennungsprozess
innerhalb des Brennraums 15 charakterisieren, zum Ermitteln
der Kenngrößen 57 herangezogen werden.
Beispielsweise kann hierzu ein Signal eines Körperschallsensors
zum Erfassen eines durch den Verbrennungsprozess erzeugten Körperschalls
am Brennraum 15 und/oder am Motorblock 13, ein
Signal eines Ionenstromsensors zum Erfassen eines Ionenstroms im
Brennraum 15 und/oder Signal eines Drehzahlsensors, insbesondere
des Kurbelwellensensors 49, zum Erfassen einer Drehzahl
einer Welle der Brennkraftmaschine 11 herangezogen werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Publikation
A. Gotter, S. Pischinger: ”Flexibler Forschungssteuerrechner
mit pmi-geführter Softwarestruktur für Benzin-Direkteinspritzung”,
Tagungsband 2 des 7. Internationalen Stuttgarter Symposiums Automobil-
und Motorentechnik, März 2007, Vieweg-Verlag, S. 27–45 [0002]
- - Fachbuch E. Rasmussen, C. K. I. Williams: ”Gaussian
processes for machine learning”, MIT Press, 2006 [0003]
- - Fachbuch E. Rasmussen, C. K. I. Williams: ”Gaussian
processes for machine learning”, MIT Press, 2006 [0059]
