DE102009021387A1 - Verfahren zum Applizieren einer Motorsteuerung eines Verbrennungsmotors - Google Patents

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Henning Dr. Klar
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Applizieren einer Motorsteuerung (21) eines Verbrennungsmotors (1) eines Kraftfahrzeuges (3). Um ein verbessertes Applizieren zu ermöglichen, sind die Schritte: - Ermitteln eines Kennfelds (29) der Motorsteuerung (21), das bei einer stationären Betriebsweise des Verbrennungsmotors (1) einer Ist-Zustandsgröße (27) des Verbrennungsmotors (1) eine Steuergröße (31) zur Steuerung des Verbrennungsmotors (1) zuordnet, - Ermitteln eines Werts der Ist-Zustandsgröße (27) für eine transiente Betriebsweise des Verbrennungsmotors (1) mittels eines transienten Motormodells (55) des Verbrennungsmotors (1), - Ermitteln einer Stützstelle (69) des Kennfelds (29), die dem Wert der bei der transienten Betriebsweise des Verbrennungsmotors (1) auftretenden Ist-Zustandsgröße (27) die Steuergröße (31) zuordnet, - Ermitteln einer Transientsteuergröße (81) für die Stützstelle (69, 71) mittels eines Trade-off-Modells (57), wobei die Transientsteuergröße (81) mittels des Trade-off-Modells (57), hinsichtlich zumindet zwei abgasrelevanten Ausgangsgrößen des Verbrennungsmotors (1) optimierbar ist, - Ergänzen der Stützstelle (69, 71) des Kennfelds (29) mit der Transientsteuergröße (81), wobei für die transiente Betriebsweise mittels des Kennfelds (29) der Motorsteuerung (21) der Verbrennungsmotor (1) für die Ist-Zustandsgröße (27) mittels Transientsteuergröße (81) und für die stationäre Betriebsweise mittels der Steuergröße (31) steuerbar oder ...

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Applizieren einer Motorsteuerung eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeuges sowie einen Verbrennungsmotor mit einer derart applizierten Motorsteuerung.
  • Verfahren zum Applizieren einer Motorsteuerung eines Verbrennungsmotors sind bekannt. Als Applizieren einer Motorsteuerung wird die Abstimmung von Motor Einflussgrößen unter Beachtung von Zielvorgaben bezeichnet. Die Qualität der Abstimmung beeinflusst erheblich die erreichbaren Werte für den Verbrauch und die Emissionen. Die wachsende Komplexität und die steigende Anzahl der Steuergerätefunktionen gestalten die Abstimmung zunehmend schwieriger. Dazu können beispielsweise für eine Regelung des Verbrennungsmotors einsetzbare Kennfelder mit Werten aufgefüllt werden. Mittels der Kennfelder kann eine Ist-Zustandsgröße des Verbrennungsmotors einer Steuergröße, beispielsweise einer Führungsgröße einer Regelungsvorrichtung des Verbrennungsmotors zugeordnet werden. Es ist möglich, das Kennfeld hinsichtlich einer emissionsrelevanten Zielgröße auszulegen. Entsprechende Stützstellen des Kennfelds können beispielsweise mittels Messungen oder Modellen für eine stationäre Betriebsweise des Verbrennungsmotors ermittelt werden. Der Verbrennungsmotor kann verschiedene Komponenten, beispielsweise eine Abgasrückführung und/oder einen Turbolader aufweisen. Die optimale Einstellung aller Verstellmöglichkeiten am Motor bestimmt wesentlich die erreichbaren Emissionen und den Kraftstoffverbrauch. Diese Einstellwerte werden im Motorsteuergerät in drehzahl- und lastabhängigen Kennfeldern festgelegt. Als lastabhängige Größe wird die Einspritzmenge verwendet, die ein direktes Äquivalent zum Motordrehmoment darstellt. Die regelbaren Verstellmöglichkeiten für die Einstellung der Kennfeldwerte von Ladedruck und Luftmasse sind: die Schaufelposition des Ladedruckstellers die Ventilposition des AGR(Abgasrückführung)-Stellers. Der Beginn der Kraftstoffeinspritzung wird direkt über die Kennfeldwerte vorgegeben und bedarf keiner Regelung. Mit dem Einspritzbeginn wird die elektrische Ansteuerung des Einspritzventils bezeichnet. Die tatsächliche Kraftstoffeinspritzung erfolgt bauartbedingt zeitverzögert und hängt von der Konstruktion der Einspritzventile ab. In Abhängigkeit der Schaufelposition stellt der Ladedrucksteller den Ladedruck ein.
  • Mit zunehmender Komplexität des Verbrennungsmotors erhöht sich die Komplexität eines zeitlichen Übertragungsverhaltens des Verbrennungsmotors. Bei einer transienten Motorapplikation werden Beschleunigungsvorgänge bei unterschiedlichen Drehzahlen und veränderlicher Motorlast berücksichtigt, wobei bei einem transienten Vorgang oder einer transienten Betriebsweise eines Motors werden mehrere Betriebspunkte des Motors durchlaufen werden.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum Applizieren einer Motorsteuerung eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeuges anzugeben, die insbesondere das zeitliche Übertragungsverhalten des Verbrennungsmotors bei einer transienten Betriebsweise besser berücksichtigt, insbesondere eine Reduzierung abgasrelevanter Ausgangsgrößen des Verbrennungsmotors zu ermöglichen, insbesondere eine verbrauchsneutrale Reduzierung von Stickoxiden während Beschleunigungsphasen zu ermöglichen.
  • Die Aufgabe ist bei einem Verfahren zum Applizieren einer Motorsteuerung eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeuges gelöst. Es sind ein Ermitteln eines Kennfelds der Motorsteuerung, das bei einer stationären Betriebsweise des Verbrennungsmotors eine Ist-Zustandsgröße des Verbrennungsmotors einer Steuergröße zur Steuerung des Verbrennungsmotors zuordnet, ein Ermitteln der Ist-Zustandsgröße für eine transiente Betriebsweise des Verbrennungsmotors mittels eines transienten Motormodells des Verbrennungsmotors, ein Ermitteln einer Stützstelle des Kennfelds, die der bei der transienten Betriebsweise des Verbrennungsmotors auftretenden Ist-Zustandsgröße die Steuergröße zuordnet, ein Ermitteln einer Transientsteuergröße für die Stützstelle mittels eines Trade-off-Modells, wobei die Transientsteuergrößen mittels des Trade-off-Modells hinsichtlich zumindest zwei abgasrelevanten Ausgangsgrößen des Verbrennungsmotors optimierbar ist und ein Ergänzen der Stützstelle des Kennfelds mit der Transientsteuergröße, wobei für die transiente Betriebsweise mittels des Kennfelds der Motorsteuerung des Verbrennungsmotors für die Ist-Zustandsgröße mittels der Transientsteuergröße und für die stationäre Betriebsweise mittels der Steuergröße steuerbar oder regelbar ist, vorgesehen.
  • Unter einem Trade-off-Modell kann ein Optimierungsansatz mittels gewichteter, gegenläufiger Zielfunktionen verstanden werden, bei dem vorteilhaft ein Optimum mittels einer Maximalwertsuche möglich ist. Für eine genauere Beschreibung wird auf 5.2.2 Emissions- und Kraftstoffverbrauchs-Trade-off-Modelle, Seite 85 ff. der Dissertation, verwiesen.
  • Die Erfindung umfasst auch die Verwendung einer Motorsteuerung mit zwei oder mehreren Kennfeldern, die in Abhängigkeit vom der Betriebsweise des Verbrennungsmotors eingesetzt werden.
  • Vorteilhaft ist es möglich, die Transientsteuergröße hinsichtlich der zumindest zwei abgasrelevanten Ausgangsgrößen zu optimieren, wobei sich vorteilhaft bei der transienten Betriebsweise eine deutlich geringere Emission, insbesondere Rohemission, des Verbrennungsmotors ergibt. Unter transienter Betriebsweise kann beispielsweise ein mittels des Verbrennungsmotors angetriebener Beschleunigungsvorgang des Kraftfahrzeuges verstanden werden. Solche Beschleunigungsvorgänge sind auch in Fahrzyklen, beispielsweise NEFZ (Neuer Europäischer Fahrzyklus) beziehungsweise MVEG (Europäischer Fahrzyklus zur Abgasmessung) und/oder FTP 75 (US-amerikanischer Fahrzyklus zur Abgasmessung) vorgesehen. Vorteilhaft kann dadurch der Gesamtemissionswert während des Fahrzyklus deutlich reduziert werden, ohne dass dazu hardwareseitige Veränderungen beziehungsweise Optimierungen des Verbrennungsmotors notwendig sind. Vorteilhaft kann mittels der Transientsteuergröße ein Einschwingvorgang nachgeschalteter Übertragungsglieder, beispielsweise eines Reglers zur Regelung des Verbrennungsmotors optimiert werden. Vorteilhaft kann beispielsweise verhindert werden, dass der Regler an einen Regleranschlag beziehungsweise eine Verstellgrenze gelangt. Vorteilhaft kann also eine Regelgüte eines etwa nachgelagerten Reglers verbessert werden, insbesondere hinsichtlich der abgasrelevanten Ausgangsgrößen. Unter abgasrelevante Größen kann beispielsweise eine NOX-, HC-, CO2-(beziehungsweise ein Treibstoffverbrauch), CO- und/oder Partikel-Emission verstanden werden.
  • Eine genauere Beschreibung des Verfahrens findet sich auch in der noch unveröffentlichten DE 10 2009 012 305.9 sowie der Dissertationsschrift, Reduktion der dieselmotorischen Abgasemissionen in den transienten Betriebsphasen mittels modellbasierter Optimierung und Echtzeitsimulation, Fachbereich Elektrotechnik/Informatik der Universität Kassel von Dipl.-Phys. Henning Klar, im Folgenden als ”Dissertation” bezeichnet. Die DE 10 2009 012 305.9 sowie die Dissertation werden vollumfänglich durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht. Insbesondere wird auf die Kapitel 1. Einführung, Seiten 1–8, 3. Modellbildung, 3.3 Statistische Versuchsplanung und 3.4 Modellbildung mit Polynommodellen, Seiten 22–36, Kapitel 4 Transiente Motormodelle, 4.1 Partikel- und NOx-Emissionen im MVEG-Zyklus, 4.2 Einfluss der Stellgrößen auf die Abgasemissionen, Seiten 38–49, 4.5 Versuchsplanung für die transiente Modellbildung, 4.7 Vergleich der Messdaten zwischen Polynommodell und realem Messverlauf, 4.8 Abgrenzung zu anderen Untersuchungen im Bereich transienter Modelle, Seiten 58–70 sowie Kapitel 5 Transiente Motorapplikation, 5.3 Kennfeldoptimierung der transienten Betriebsbereiche und 5.4 Verifikation der transienten Optimierung durch Rollentests, Seiten 91–100 Bezug genommen.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens sind ein Ermitteln des transienten Motormodells mittels einer statistischen Versuchsplanung und/oder ein Ermitteln des transienten Motormodells mittels eines D-optimalen Versuchsplans und/oder ein Ermitteln des transienten Motormodells mittels einer Polynommodellbildung vorgesehen. Vorteilhaft kann an den Stützstellen des Kennfeldes eine besonders gute Modellgenauigkeit erreicht werden. Bei der statisti schen Versuchsplanung kann es sich beispielsweise um Screening-Versuche, zweistufige vollfaktorielle Versuchspläne und/oder RSM-Versuchspläne (Response Surface Model) handeln. Hierzu wird auf die Dissertation, Seite 26, 3.3.4 Methoden der statistischen Versuchsplanung, verwiesen. Bezüglich des D-optimalen Versuchsplans wird auf 3.3.5 D-optimale Versuchspläne, Seite 28 der Dissertation, verwiesen. Bezüglich der Polynommodellbildung wird auf 3.4 Modellbildung mit Polynommodellen, insbesondere Seite 32–36 der Dissertation verwiesen. Die Modellbildung kann für qualitative oder quantitative Eingangsgrößen erfolgen beziehungsweise ausgelegt werden. Eine entsprechende Definition findet sich auf Seite 24, Bild 3.2 der Dissertation.
  • Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens sieht ein Ermitteln einer Führungsgröße einer Regelvorrichtung des Verbrennungsmotors mittels der Ist-Zustandsgröße und/oder ein Ermitteln eines Istwerts der Führungsgröße und/oder ein Ermitteln einer Regelabweichung mittels des Istwerts und der Führungsgröße für die transiente Betriebsweise vor. Mittels der Führungsgröße und der Regelvorrichtung kann der Verbrennungsmotor gesteuert werden. Dabei kann es aufgrund des Zeitverhaltens des Verbrennungsmotors zu der Regelabweichung kommen. Vorteilhaft kann bei Versuchen und/oder Modellierungen die Regelabweichung ein Maß für die Güte der die Ist-Zustandsgröße aufweisenden Stützstelle hergeleitet werden.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist ein Ermitteln der Transientsteuergröße mittels der Regelabweichung und mittels des Trade-off-Modells vorgesehen. Vorteilhaft kann die Regelabweichung als Eingangsgröße des Trade-off-Modells dienen. Dieses kann dazu für unterschiedliche Parameter durchgerechnet werden, wobei vorteilhaft die Transientsteuergröße so ermittelbar ist, dass sich eine kleinere Regelabweichung während der transienten Betriebsweise für die entsprechende mit der Transientsteuergröße versehene Stützstelle des Kennfeldes ergibt, wobei vorteilhaft auch die abgasrelevanten Ausgangsgrößen des Verbrennungsmotors optimierbar sind.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist ein Ermitteln der Transientsteuergröße derart vorgesehen, dass die Regelabweichung reduziert wird. Vorteilhaft ergibt sich eine verbesserte Regelgüte der Regelvorrichtung.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Ist-Zustandsgröße zumindest eine Drehzahl nmot und eine Einspritzmenge mE des Verbrennungsmotors umfasst und/oder die Steuergröße und die Transientsteuergröße eine dem Verbrennungsmotor zugeführte Luftmasse aufweisen und/oder die Stützstelle der Drehzahl nmot und der Einspritzmenge mE abhängig von der Betriebsweise die entsprechende Luftmasse zuordnet. Bei der Luftmasse handelt es sich um eine vergleichsweise einfach regelbare Größe des Verbrennungsmotors, sodass das Verfahren vorteilhaft für diese Größe anwendbar ist. Alternativ und/oder zusätzlich ist es jedoch auch denkbar, das Verfahren für andere regelbare Größen des Verbrennungsmotors anzuwenden.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist ein mehrfaches Anwenden des vorab beschriebenen Verfahrens für eine Vielzahl von Stützstellen des Kennfelds vorgesehen. Vorteilhaft kann durch die mehrfache Anwendung des Verfahrens das gesamte Kennfeld optimiert werden.
  • Die Aufgabe ist außerdem bei einem Verbrennungsmotor mit einer Motorsteuerung, die nach einem vorab beschriebenen Verfahren wurde und/oder ein vorab beschriebenes Kennfeld aufweist gelöst. Es ergeben sich die vorab beschriebenen Vorteile.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der – gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung – ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Ansicht eines aufgeladenen Verbrennungsmotors mit einer Abgasrückführung;
  • 2 eine teilweise Darstellung einer Regelvorrichtung des in 1 gezeigten Verbrennungsmotors;
  • 3 ein Diagramm über der Zeit eines mittels der in 2 gezeigten Regelvorrichtung regelbaren Ladedrucks des Verbrennungsmotors;
  • 4 eine schematische Ansicht von Eingangs- und Ausgangsgrößen eines transienten Motormodells und eines Emissionsmodells;
  • 5 ein Schaubild eines spezifischen Verbrauchs und einer zugeordneten Trade-off-Funktion eines Trade-off-Modells zur Optimierung zweier abgasrelevanter Ausgangsgrößen des in 1 dargestellten Verbrennungsmotors über einer Luftmasse des Verbrennungsmotors;
  • 6 ein Schaubild eines Momentenbedarfs eines mit dem in 1 dargestellten Verbrennungsmotor angetriebenen Kraftfahrzeugs über einer Drehzahl des Verbrennungsmotors für eine ebene Fahrstrecke;
  • 7 ein Kennfeld für den Ladedruck mit den Eingangsgrößen Einspritzmenge und Drehzahl, wobei mittels Werten der in 6 dargestellten Fahrwiderstandskurven stationäre Betriebspunkte beziehungsweise dazugehörige Stützstellen des Kennfelds ermittelt sind; und
  • 8 eine schematische Ansicht eines Verfahrens zur Applikation eines Motorsteuergeräts des in 1 abgebildeten Verbrennungsmotors mittels der in 4 gezeigten Modelle.
  • 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Verbrennungsmotors 1 eines nur teilweise dargestellten Kraftfahrzeuges 3. Der Verbrennungsmotor 1 weist einen Luftzufuhrkanal 5 mit einem Luftmassenmesser 7, einem Turbolader 9 und einem in Brennräume 11 mündenden Einlasskrümmer 13 auf. Den Brennräumen 11 ist eine Abgasanlage 15 mit einem Auslasskrümmer 17 und dem Turbolader 9 sowie weiteren nicht dargestellten Komponenten, beispielsweise zur Abgasreinigung, nachgeschaltet. Zwischen die Abgasanlage 15 und den Luftzufuhrkanal 5 ist eine Abgasrückführung 19, die beispielsweise einen Abgasrückführungskühler und ein Abgasrückführungventil aufweisen kann, geschaltet. Bei der Abgasrückführung 19 kann es sich beispielsweise um eine Hochdruckabgasrückführung handeln, die zwischen die Brennräume 11 und den Turbolader 9 geschaltet ist. Es ist denkbar, dass der Verbrennungsmotor 1 als doppelaufgeladener Turbomotor ausgestaltet ist. Ferner ist es denkbar, anstelle des Turboladers 9 einen mechanischen Lader vorzusehen. Zur Steuerung und/oder Regelung von Betriebsweisen, insbesondere einer stationären Betriebsweise und/oder einer transienten Betriebsweise, ist dem Verbrennungsmotor 1 eine Motorsteuerung 21 zugeordnet.
  • 2 zeigt eine schematische teilweise Darstellung einer Regelvorrichtung 23 der Motorsteuerung 21.
  • Einer Sollwertbildung 25 wird eine Ist-Zustandsgröße 27 des Verbrennungsmotors 1 zugeführt. Unter der Ist-Zustandsgröße 27 kann eine Mehrgrößengröße und/oder eine vektorielle Größe verstanden werden, insbesondere kann die Ist-Zustandsgröße 27 eine Motordrehzahl nmot, eine Einspritzmenge mE und/oder Korrekturwerte aufweisen. Mittels eines Kennfelds 29 wird ein Basiswert für eine Steuergröße 31 ermittelt. Mittels einer Korrektur 33 kann die Steuergröße 31 korrigiert werden. Die Steuergröße 31 wird als Führungsgröße 35 einem Regler 37 zugeführt. Zusätzlich wird dem Regler 37 ein Vorsteuerwert 39 zugeführt. Der Vorsteuerwert 39 kann mit tels einer Vorsteuerung 41 ermittelt werden, der ebenfalls die Ist-Zustandsgröße 27 zugeführt wird. Mittels der Vorsteuerung 41 werden ebenfalls ein Basiswert 43, beispielsweise mittels eines weiteren Kennfelds und eine Korrektur 33 des Vorsteuerwerts 39 ermittelt. Der Regler 37 ermittelt mittels der Führungsgröße 35 und dem Vorsteuerwert 39 eine Stellgröße 45, beispielsweise ein Tastverhältnis zur Ansteuerung eines nicht näher dargestellten Ladedruck- beziehungsweise Luftmassenstellers des Verbrennungsmotors 1. Mittels der Stellgröße 45 ist eine Regelgröße 59, beispielsweise ein in 3 dargestellter Ladedruck 53, steuerbar. Für eine nähere Erläuterung der 2 wird auf Bild 5.2 nebst Beschreibung, Seite 73 der Dissertation, verwiesen.
  • 3 zeigt ein Schaubild 47, wobei auf einer x-Achse 49 eine Zeit und auf einer y-Achse 51 der Ladedruck des in 1 dargestellten Verbrennungsmotors dargestellt sind. Es ist ein Sprung der Steuergröße 31 der 2 dargestellt, und als Reaktion darauf die Stellgröße 45 beziehungsweise ein Tastverhältnis des Reglers 37. Als Reaktion auf den Anstieg der Stellgröße 45 ist ein Einschwingvorgang beziehungsweise ein Ansteigen des Ladedrucks 53 in Richtung der Steuergröße 31 zu erkennen. In 3 ist ferner zu erkennen, dass während des Einschwingvorgangs eine große Regelabweichung auftritt und nach dem Einschwingvorgang der Ladedruck 53 eine verbleibende geringe Regelabweichung zur Steuergröße 31 aufweist. Für eine weitere Beschreibung der 3 wird auf Bild 5.3, Seite 74 der Dissertation, verwiesen.
  • Als transiente Führungsgröße eines transienten Motormodells kann die zeitabhängige Einspritzmenge dienen; diese wird durch das Anfangs- und Endniveau sowie die Übergangszeit definiert. Die Zielgrößen sind Luftmasse und Ladedruck. Die Sollwerte ergeben sich aus den betriebspunktabhängigen Kennfeldern. Bei einer Änderung der Einspritzmenge werden aus den Ladedruck- und Luftmassenkennfeldern entsprechend der aktuellen Stützstelle neue Sollwerte vorgegeben. Das Steuergerät übersetzt diese physikalischen Werte in ein Tastverhältnis (TV) und leitet diese Signale an die Steller weiter. Abhängig von der maximalen Verstellgeschwindigkeit und den Reglerparametern ergeben sich die Messwerte für die Luftmasse und den Ladedruck. Die transienten Modelle sollen die Signalverläufe der Messwerte nachbilden. Auf Basis dieser Modelle kann die Regelabweichung der Größen mit physikalisch begrenzten Verstellgeschwindigkeiten berechnet werden.
  • Die Auswahl der Stützstellen erfolgte unter dem Aspekt der exakten Nachbildung der Signalverläufe. Die Stützstellen wurden so gewählt, dass eine Interpolation zwischen den Stützstellen den realen physikalischen Verlauf nachbilden kann. Die Stützstellen sollten die Messdaten der niedrigen und hohen Mengengradienten der verschiedenen Drehzahlen abbilden. Bild 4.23 der Dissertation zeigt die Verteilung der festgelegten Stützstellen für die Drehzahl von 1700 1/min und den Übergang der Einspritzmenge von 6 mg/Hub auf 28 mg/Hub innerhalb von 0 ms, 500 ms und 1500 ms.
  • 4 zeigt eine schematische Darstellung von Eingangsgrößen und Zielgrößen eines transienten Motormodells 55 sowie eines Emissionsmodells 57 des Verbrennungsmotors 1. Das transiente Motormodell 55 weist als Eingangsgrößen insbesondere die Drehzahl nmot, ein Anfangsniveau der Einspritzmenge mE, ein Endniveau der Einspritzmenge mE, eine Übergangszeit sowie eine Messzeit auf. Als Zielgrößen weist das transiente Motormodell 55 einen Einspritzbeginn, einen Ladedruck-Istwert und einen Luftmassen-Istwert auf.
  • Bei dem Ladedruck-Istwert und/oder dem Luftmassen-Istwert kann es sich beispielsweise um die in 2 dargestellte Ist-Zustandsgröße 27 handeln. Die Zielgrößen des transienten Motormodells stellen gleichzeitig Eingangsgrößen des Emissionsmodells 57 dar. Zusätzlich kann das Emissionsmodell 57 insbesondere die Eingangsgrößen Drehzahl nmot, Einspritzmenge mE aufweisen.
  • Als Zielgrößen weist das Emissionsmodell 57 insbesondere einen Kraftstoffverbrauch, eine NOx-Emission, eine Partikelemission, eine Kohlenwasserstoffemission, und/oder ein Motormoment auf.
  • Bei dem Emissionsmodell kann es sich beispielsweise um ein so genanntes Trade-off-Modell handeln, mittels dem ein Trade-off-Wert TOEmission,Verbrauch = F(NOx, Partikel, Verbrauch) = A × NOx + B × Partikel + C × Verbrauchoptimierbar ist, wobei A, B, C Gewichte darstellen. Zur Optimierung können die Gewichte entsprechend gewählt, z. B. entsprechend gesetzlichen. Emissionsvorgaben, und die Trade-off-Funktion hinsichtlich Extremwerten untersucht werden. Für eine weitere Erläuterung der 4 wird auf Bild 4.21 sowie die dazugehörige Beschreibung, Seite 61 der Dissertation, verwiesen.
  • 5 zeigt beispielhaft ein Schaubild 61 für ein solches Trade-off-Modell, wobei auf einer x-Achse 49 eine Luftmasse, insbesondere in mg/Hub und auf einer y-Achse 51 ein spezifischer Verbrauch, insbesondere in g/kWh und darüber die Trade-off-Funktion aufgetragen sind. Mittels eines Doppelpfeils ist ein Optimum der Trade-off-Funktion dargestellt, nämlich für einen Kurbelwellenwinkel φE von 4° KW. Beispielhaft sind zwei weitere Einspritzbeginne, für ϕE = 8° KW und ϕE = 12° KW in dem Schaubild 61 aufgetragen, wobei sich ein anderes Optimum 63 erge ben würde. Das Optimum 63 kann für die übrigen Einspritzbeginne ausgewertet werden. Bezüglich einer weiteren Beschreibung der 4 wird auf Bild 5.17 sowie die dazugehörige Beschreibung, Seite 87 der Dissertation, verwiesen.
  • 6 zeigt ein Schaubild 65. Auf dem Schaubild 65 sind auf einer x-Achse 49 eine Drehzahl des Verbrennungsmotors 1, beispielsweise in 1/min. und auf einer y-Achse 51 ein Momentenbedarf für eine Fahrt mit einer konstanten Geschwindigkeit auf einer ebenen Fahrstrecke aufgetragen. Für Gänge 1 bis 5 ergeben sich insgesamt 5 verschiedene Fahrwiderstandskurven 67 beziehungsweise ein Momentenbedarf, der für die Fahrt auf einer Ebene mit konstanter Geschwindigkeit mittels des Verbrennungsmotors 1 aufgebracht werden muss. Für eine nähere Beschreibung der 6 wird auf Bild 5.22 sowie die dazugehörige Beschreibung, Seite 92 der Dissertation, verwiesen.
  • 7 zeigt ein Kennfeld 29, das einer Ist-Zustandsgröße 27 des Verbrennungsmotors 1 eine Steuergröße 31 zuweist. Die Ist-Zustandsgröße 27 umfasst die Drehzahl nmot sowie die Einspritzmenge mE des Verbrennungsmotors. Bei der Steuergröße handelt es sich um den Ladedruck des Verbrennungsmotors 1. Mittels den in 6 dargestellten Fahrwiderstandskurven 67 können Werte von Stützstellen des Kennfeldes mit einer stationären Betriebsweise 69 des Verbrennungsmotors 1 ermittelt werden. Alle übrigen Bereiche des Kennfelds 29 weisen entsprechend Stützstellen einer transienten Betriebsweise 71 des Verbrennungsmotors auf.
  • Die Abstimmung der einzelnen Betriebspunkte im drehzahl- und lastabhängigen Kennfeld erfolgt im ersten Schritt unter dem Gesichtspunkt der stationär erreichbaren Werte der Eingangsgrößen. Die Verstellbereiche der Steller, beispielsweise des Ladedruck- und AGR-Stellers begrenzen die die Werte der Zielgrößen, beispielsweise der Ladedruck- und Luftmassenwerte. Die optimierten Einstellungen werden im stationären Fall über die Regler eingestellt und nach einer Regelzeit erreicht.
  • Nach der Optimierung der einzelnen Betriebspunkte unter stationären Bedingungen werden die Auswirkungen von Beschleunigungsphasen auf die Einhaltung der vorgegebenen Kennfeldwerte berücksichtigt. Beispielsweise sind in Bild 5.5 der Dissertation die Betriebspunkte, die bei Beschleunigungsvorgängen durchlaufen werden, schwarz hervorgehoben. Bei Veränderung der Motorlast entstehen bei der transient begrenzt verstellbaren Eingangsgröße Ladedruck die ermittelten Abweichungen zwischen den Kennfeldsollwerten und den tatsächlich vorhandenen Istwerten. Sowohl die Vorgabe der Reglerparameter als auch die Kennfeldsollwerte beeinflussen die physikalisch bedingte Regelabweichung. Die Anpassung der Reglerparameter minimiert die Regelabweichung nur bis zur Verstellgrenze des Ladedruckstellers.
  • 8 zeigt einen schematischen Ablauf zur Applikation beziehungsweise Korrektur der Stützstellen der transienten Betriebsweise 71 für die transiente Betriebsweise des Verbrennungsmotors 1. In einem ersten Schritt 73 wird mittels transienter Motormodelle, beispielsweise des transienten Motormodells 55, ein Istwert des Ladedrucks und der Luftmasse ermittelt. In einem zweiten Schritt 75 wird eine Regelabweichung des Ladedrucks und der Luftmasse berechnet. In einem dritten Schritt 77 wird das Trade-off-Modell, beispielsweise das Emissionsmodell 57, zur Optimierung während der transienten Betriebsweise verwendet. In einem vierten Schritt 79 wird ein korrigierter Luftmassenwert, der eine Transientsteuergröße 81 darstellt, mittels der die Stützstellen der transienten Betriebsweise 71 des Kennfelds 29 ergänzbar sind. Vorteilhaft kann die Transientsteuergröße 81 als Führungsgröße 35 dem Regler 37 während der transienten Betriebsweise zugeführt werden.
  • Dem Kennfeld 29 wird in einem fünften Schritt 83 die Ist-Zustandsgröße 27, also die Einspritzmenge mE des transienten Übergangs zugeführt, die auf einem Schaubild 85 der 8 aufgetragen ist. Auf einem zweiten Schaubild 87 sind ein Kennfeld-Sollwert, eine transiente Messung sowie eine korrigierte Luftmasse aufgetragen. Auf einem dritten Schaubild 89 sind ein Kennfeld-Sollwert sowie eine transiente Messung aufgetragen.
  • In Schaubild 87 sind ein Überschwingen 91 und eine entsprechende Regelabweichung eines Verlaufs der Luftmasse einer transienten Messung beziehungsweise wie dieser bei einer transienten Betriebsweise des Verbrennungsmotors 1 auftritt zu erkennen. Es ist zu erkennen, dass ein Kennfeld-Sollwert 93 einen stufenweisen Anstieg aufweist. Aufgrund der transienten Betriebsweise kann es zu einem vergleichsweise schlechten Führungsverhalten beziehungsweise zu einer großen Regelabweichung einer entsprechenden Regelung kommen, da der Regler an einen Regleranschlag gelangt, wobei sich eine Regelgüte aufgrund des Zeitverhaltens entsprechender Stellglieder und auch nicht ausreichend großer Stellwege verschlechtert. Mittels der Regelabweichung und/oder einer in dem Schaubild 87 entsprechend korrigierten Luftmasse 95 kann der dritte Schritt 77 durchgeführt werden. Für eine weitere Beschreibung der 8 wird auf Bild 5.27 sowie zugehörige Beschreibung, Seite 96 der Dissertation, verwiesen.
  • Bei unterschiedlichen Beschleunigungen werden andere Stützstellen verwendet. Die Stützstellen der höheren Beschleunigungen liegen bei größeren Einspritzmengen und überdecken sich nur in der beginnenden transienten Phase mit den Zyklusbeschleunigungen wie in Bild 5.29 dargestellt ist. Die optimalen Luftmassenwerte für hohe Beschleunigungswerte werden nur beim Durchfahren dieser Stützstellen aktiv.
  • Bei einem Test mit einem 1,9 l TD1-Motor im VW Polo ergab die optimierte Abstimmung sowohl im MVEG- als auch im FTP 75-Zyklus eine Reduzierung der kumulierten NOx-Emissionen von rund 25%. Die Partikelrohwerte erhöhten sich von 0,010 g/km auf 0,011 g/km. Der Partikelfilter senkte die Partikelemissionen nahezu auf 0 g/km bei gleichbleibendem Kraftstoffverbrauch. Die hier erreichte Emissionsminimierung bedeutet bei diesem Fahrzeug die Verbesserung um eine Emissionsstufe von EURO IV auf EURO V ohne messbaren Verbrauchsnachteil. Bei der Beibehaltung der Emissionsstufe EURO IV erlaubt der Einsatz des Verfahrens auch die Nutzung der transienten Emissionsreduzierung zur Absenkung des Kraftstoffverbrauchs in den stationären Betriebspunkten.
    • 1
    Verbrennungsmotor
    3
    Kraftfahrzeug
    5
    Luftzufuhrkanal
    7
    Luftmassenmesser
    9
    Turbolader
    11
    Brennräume
    13
    Einlasskrümmer
    15
    Abgasanlage
    17
    Auslasskrümmer
    19
    Abgasrückführung
    21
    Motorsteuerung
    23
    Regelvorrichtung
    25
    Sollwertbildung
    27
    Ist-Zustandsgröße
    29
    Kennfeld
    31
    Steuergröße
    33
    Korrektur
    35
    Führungsgröße
    37
    Regler
    39
    Vorsteuerwert
    41
    Vorsteuerung
    43
    Basiswert
    45
    Stellgröße
    47
    Schaubild
    49
    x-Achse
    51
    y-Achse
    53
    Ladedruck
    55
    transientes Motormodell
    57
    Emissionsmodell
    59
    Regelgröße
    61
    Schaubild
    63
    Optimum
    65
    Schaubild
    67
    Fahrwiderstandskurve
    69
    stationäre Betriebsweise
    71
    transiente Betriebsweise
    73
    erster Schritt
    75
    zweiter Schritt
    77
    dritter Schritt
    79
    vierter Schritt
    81
    Transientsteuergröße
    83
    fünfter Schritt
    85
    Schaubild
    87
    Schaubild
    89
    Schaubild/transiente Messung
    91
    Überschwingen
    93
    Kennfeld-Sollwert
    95
    Luftmasse
  • 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 Patentliteratur
    • - DE 102009012305 [0009, 0009]

Claims (8)

  1. Verfahren zum Applizieren einer Motorsteuerung (21) eines Verbrennungsmotors (1) eines Kraftfahrzeuges (3), mit – Ermitteln eines Kennfelds (29) der Motorsteuerung (21), das bei einer stationären Betriebsweise des Verbrennungsmotors (1) einer Ist-Zustandsgröße (27) des Verbrennungsmotors (1) eine Steuergröße (31) zur Steuerung des Verbrennungsmotors (1) zuordnet, – Ermitteln eines Wertes der Ist-Zustandsgröße (27) für eine transiente Betriebsweise des Verbrennungsmotors (1) mittels eines transienten Motormodells (55) des Verbrennungsmotors (1), – Ermitteln einer Stützstelle (71) des Kennfelds (29), die dem Wert der bei der transienten Betriebsweise des Verbrennungsmotors (1) auftretenden Ist-Zustandsgröße (27) den Wert der Steuergröße (31) zuordnet, – Ermitteln einer Transientsteuergröße (81) für die Stützstelle (71) mittels eines Trade-off-Modells (57), wobei die Transientsteuergröße (81) mittels des Trade-off-Modells (57) hinsichtlich zumindest zwei abgasrelevanten Ausgangsgrößen des Verbrennungsmotors (1) optimierbar ist, – Korrigieren der Stützstelle (71) des Kennfelds (29) mit der Transientsteuergröße (81), wobei für die transiente Betriebsweise mittels des Kennfelds (29) der Motorsteuerung (21) der Verbrennungsmotor (1) für die Ist-Zustandsgröße (27) mittels der Transientsteuergröße (81) und für die stationäre Betriebsweise mittels der Steuergröße (31) steuerbar oder regelbar ist.
  2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, mit zumindest einem Element der folgenden Gruppe: – Ermitteln des transienten Motormodells (55) mittels einer statistischen Versuchsplanung, – Ermitteln des transienten Motormodells (55) mittels eines D-optimalen Versuchsplans, – Ermitteln des transienten Motormodells (55) mittels einer Polynommodellbildung Polynommodellbildung einer zeitveränderlichen Motorsteuergröße mittels eines qualitativen Polynomansatzes mit diskreten Modellstützstellen.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit zumindest einem Element der folgenden Gruppe: – Ermitteln einer Führungsgröße (35) einer Regelvorrichtung (23) des Verbrennungsmotors (1) mittels der Ist-Zustandsgröße (27), – Ermitteln eines Istwerts (59) der Führungsgröße (35), – Ermitteln einer Regelabweichung mittels des Istwerts (59) und der Führungsgröße (35) für die transiente Betriebsweise.
  4. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, mit: – Ermitteln der Transientsteuergröße (81) mittels der Regelabweichung und mittels des Trade-off-Modells (57).
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden zwei Ansprüche, mit: – Ermitteln der Transientsteuergröße (81) derart, dass die Regelabweichung reduziert wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit zumindest einem Element der folgenden Gruppe: – wobei die Ist-Zustandsgröße (27) zumindest eine Drehzahl nmot und eine Einspritzmenge mE des Verbrennungsmotors (1) umfasst, – wobei die Steuergröße (31) und die Transientsteuergröße (81) eine dem Verbrennungsmotor (1) zugeführte Luftmasse aufweisen, – die Stützstelle (69, 71) der Drehzahl nmot und der Einspritzmenge mE abhängig von der Betriebsweise die entsprechende Luftmasse zuordnet.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit: – Mehrfaches Anwenden des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche für eine Vielzahl von Stützstellen (69, 71) des Kennfelds (29).
  8. Verbrennungsmotor (1) mit einer Motorsteuerung (21), die nach einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche appliziert wurde und/oder ein Kennfeld (29) aufweist, das – bei einer stationären Betriebsweise des Verbrennungsmotors (1) einer Ist-Zustandsgröße (27) des Verbrennungsmotors (1) eine Steuergröße (31) zur Steuerung des Verbrennungsmotors (1) zuordnet, – Ermitteln eines Wertes der Ist-Zustandsgröße (27) für eine transiente Betriebsweise des Verbrennungsmotors (1) mittels eines transienten Motormodells (55) des Verbrennungsmotors (1), – Ermitteln einer Stützstelle (71) des Kennfelds (29), die dem Wert der bei der transienten Betriebsweise des Verbrennungsmotors (1) auftretenden Ist-Zustandsgröße (27) den Wert der Steuergröße (31) zuordnet, – Ermitteln einer Transientsteuergröße (81) für die Stützstelle (71) mittels eines Trade-off-Modells (57), wobei die Transientsteuergröße (81) mittels des Trade-off-Modells (57) hinsichtlich zumindest zwei abgasrelevanten Ausgangsgrößen des Verbrennungsmotors (1) optimierbar ist, – Korrigieren der Stützstelle (71) des Kennfelds (29) mit der Transientsteuergröße (81), wobei für die transiente Betriebsweise mittels des Kennfelds (29) der Motorsteuerung (21) der Verbrennungsmotor (1) für die Ist-Zustandsgröße (27) mittels der Transientsteuergröße (81) und für die stationäre Betriebsweise mittels der Steuergröße (31) steuerbar oder regelbar ist.
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