DE102011014767B4 - Method for operating an internal combustion engine - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine, wobei ein zur Steuerung und Regelung der Verbrennungskraftmaschine dienendes Modell der Verbrennungskraftmaschine mittels des expliziten Euler-Verfahrens mit einer festen Schrittweite berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das explizite Euler-Verfahren mit Hilfe eines ergänzenden, arbeitspunktabhängigen Terms für die geforderte feste Schrittweite durch die Verschiebung der Eigenwerte der Systemmatrix stabilisiert wird.Method for operating an internal combustion engine, wherein a model of the internal combustion engine used to control and regulate the internal combustion engine is calculated using the explicit Euler method with a fixed increment, characterized in that the explicit Euler method uses a supplementary, operating point-dependent term for the required fixed step size is stabilized by shifting the eigenvalues of the system matrix.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.The present invention relates to a method for operating an internal combustion engine having the features of patent claim 1.

Es ist allgemein bekannt, der Steuerung und Regelung einer Verbrennungskraftmaschine physikalische Modellansätze zu Grunde zu legen, die mit numerischen Lösungsverfahren berechnet werden. Beispielsweise kann die so genannte Füll- und Entleermethode zur Beschreibung des Ansaug- und Abgassystems einer Verbrennungskraftmaschine herangezogen werden. Bei derartigen physikalischen Ansätzen handelt es sich allgemein um nichtlineare zeitkontinuierliche Modelle. Diese Modelle haben von Arbeitspunkt zu Arbeitspunkt eine verschiedene Dynamik und Bandbreite. Verfügt die zu Grunde liegende Verbrennungskraftmaschine beispielsweise über eine in der Ansauganlage angeordnete Drosselklappe zur Einstellung der den Zylindern zuzuführenden Frischluftmasse und ist die Drosselklappe nahezu geschlossen, ändert sich das Druckverhältnis über der Drosselklappe nur sehr langsam, da sich nur ein geringer Massenstrom über der Drosselklappe ausbildet. Ist dem hingegen die Drosselklappe weit geöffnet, kann sich ein großer Massenstrom über der Drosselklappe ausbilden, wodurch sich das Druckverhältnis sehr schnell ändert. Mit anderen Worten ist bei vollständig geöffneter Drosselklappe das Druckverhältnis über der Drosselklappe praktisch eins und die Behälter vor und hinter der Drosselklappe wirken wie ein einziger Behälter. Derartige Effekte können auch bei einer Verbrennungskraftmaschine auftreten, die über einen Abgasturbolader verfügt, wobei sich ebenfalls große Massenströme über dem Verdichter beziehungsweise der Turbine ausbilden und die Behälter vor und hinter dem Verdichter oder der Turbine wie ein einziger Behälter wirken. Zur Berechnung langsamer Ausgleichsvorgänge genügen große Integrationsschrittweiten, wohingegen schnelle Zustandsänderungen kleine Schrittweiten erfordern. Mit anderen Worten kommt es zwischen den zwei Behältern zu sehr schnellen Druckänderungen, für deren Berechnung eine bestimmte feste Schrittweite unter Umständen nicht genügt. Da die zwei genannten Drosselklappenszenarien beziehungsweise Massenstromänderungen über dem Verdichter und der Turbine im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine permanent auftreten, kann zur Berechnung des jeweiligen Modells ein numerisches Lösungsverfahren mit variabler Schrittweite eingesetzt werden. Dieses ist in der Lage, die Integrationsschrittweite während der Berechnung an das zu berechnende Modell anzupassen. Als Alternative kann ein Verfahren mit einer festen Schrittweite eingesetzt werden, wobei diese so klein zu wählen ist, dass die schnellen Ausgleichsvorgänge stabil berechnet werden können. Das bedeutet jedoch, dass die Berechnung des Modells je nach Bandbreite des Modells vergleichsweise viel Rechenzeit konsumiert. Während die Wahl des Berechnungsverfahrens in einer Entwicklungsumgebung noch relativ frei ist, ist sie das bei einer Implementierung in dem Steuergerät einer Verbrennungskraftmaschine nicht. Hier kann nicht gewartet werden, bis das Verfahren eine Lösung in einem sehr steifen Dynamikbereich berechnet hat. Vielmehr muss zu definierten Zeitpunkten die Lösung vorliegen. Aus diesem Grund ist die Integrationsschrittweite im Steuergerät festgelegt. Für die Berechnung des Ansaugsystems ist beispielsweise eine Schrittweite von 10 ms vorgesehen. Unter den Verfahren mit einer festen Schrittweite gibt es zahlreiche Methoden, die sich hinsichtlich ihres Konvergenz- und Stabilitätsverhaltens zum Teil deutlich unterscheiden. Aufwendige Verfahren besitzen bei gleicher Schrittweite häufig ein besseres Stabilitätsverhalten als einfache Ansätze, benötigen dafür jedoch auch mehr Rechenschritte und damit mehr Rechenzeit. Da diese im Steuergerät einer Verbrennungskraftmaschine sehr begrenzt ist, ist es erforderlich, ein einfaches numerisches Verfahren zur näherungsweisen Lösung zu nutzen, beispielsweise das so genannte explizite Euler-Verfahren zur numerischen Lösung von Differentialgleichungssystemen. Praktische Versuche haben jedoch gezeigt, dass, wenn bei einem in einer Entwicklungsumgebung implementierten Modell einer Verbrennungskraftmaschine das Lösungsverfahren von einem Verfahren mit variabler Schrittweite auf das explizite Euler-Verfahren mit einer festen Integrationsschrittweite von 10 ms gewechselt wird, die Simulation in den meisten der Arbeitspunkte instabil ist.It is generally known that the control and regulation of an internal combustion engine is based on physical model approaches that are calculated using numerical solution methods. For example, the so-called filling and emptying method can be used to describe the intake and exhaust system of an internal combustion engine. Such physical approaches are generally non-linear time-continuous models. These models have different dynamics and bandwidths from working point to working point. If the internal combustion engine on which it is based has, for example, a throttle valve located in the intake system for setting the fresh air mass to be supplied to the cylinders and if the throttle valve is almost closed, the pressure ratio across the throttle valve changes only very slowly, since only a small mass flow develops across the throttle valve. If, on the other hand, the throttle valve is wide open, a large mass flow can develop over the throttle valve, causing the pressure ratio to change very quickly. In other words, with the throttle fully open, the pressure ratio across the throttle is practically unity and the reservoirs before and after the throttle act as a single reservoir. Such effects can also occur in an internal combustion engine that has an exhaust gas turbocharger, with large mass flows also forming over the compressor or the turbine and the containers in front of and behind the compressor or the turbine act like a single container. Large integration step sizes are sufficient for calculating slow transient processes, whereas fast state changes require small step sizes. In other words, there are very rapid pressure changes between the two containers, for which a certain fixed increment may not be sufficient for their calculation. Since the two aforementioned throttle valve scenarios or mass flow changes over the compressor and the turbine occur constantly during operation of the internal combustion engine, a numerical solution method with variable increments can be used to calculate the respective model. This is able to adapt the integration step size to the model to be calculated during the calculation. As an alternative, a method with a fixed step size can be used, whereby this is to be selected so small that the fast transient processes can be calculated in a stable manner. However, this means that the calculation of the model consumes a comparatively large amount of computing time, depending on the bandwidth of the model. While the choice of the calculation method is still relatively free in a development environment, it is not so in an implementation in the control unit of an internal combustion engine. Here it is not possible to wait until the method has calculated a solution in a very stiff dynamic range. Rather, the solution must be available at defined times. For this reason, the integration step size is fixed in the control unit. For example, an increment of 10 ms is provided for the calculation of the intake system. Among the methods with a fixed step size, there are numerous methods that differ significantly in terms of their convergence and stability behavior. With the same step size, complex methods often have better stability than simple approaches, but they also require more computing steps and therefore more computing time. Since this is very limited in the control unit of an internal combustion engine, it is necessary to use a simple numerical method for the approximate solution, for example the so-called explicit Euler method for the numerical solution of differential equation systems. However, practical tests have shown that when the solution method is changed from a method with a variable step size to the explicit Euler method with a fixed integration step size of 10 ms for a model of an internal combustion engine implemented in a development environment, the simulation is unstable in most of the operating points is.

Zur stabilen Berechnung eines zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine dienenden Modells einer Verbrennungskraftmaschine mittels eines numerischen Lösungsverfahrens mit einer festen Schrittweite ist es aus der DE 10 2009 007 808 A1 vorbekannt, sämtliche Eigenwerte des linearisierten Modells in Arbeitspunkten der Verbrennungskraftmaschine, die hinsichtlich der Stabilität der Berechnung kritisch sind, in einen stabilen Bereich des numerischen Lösungsverfahrens zu verschieben. Dieser Ansatz baut auf der Erkenntnis auf, dass die Eigenwerte eines linearisierten Modells beziehungsweise eines linearisierten Systems, bestehend aus zwei durch eine Trennstelle gekoppelten Behältern insbesondere durch den durch die Trennstelle erzeugten Eigenwertbeitrag bestimmt werden. Eine Trennstelle zwischen zwei Behältern ist dabei bevorzugt eine Drosselklappe oder ein Verdichter in der Ansaugleitung oder eine Turbine in der Abgasleitung einer Verbrennungskraftmaschine. Eine Entscheidung, ob das numerische Lösungsverfahren stabil ist, erfolgt bevorzugt anhand einer Untersuchung des Stabilitätskriteriums für zeitdiskrete Systeme in Zustandsdarstellung, wie dort im Ausführungsbeispiel näher beschrieben ist. Im Sinne dieses Ansatzes entspricht der insbesondere von dem Massenstrom über eine Trennstelle zwischen zwei Behältern erzeugte Eigenwertbeitrag mindestens einem Eigenwertbeitrag mehrerer möglicher Eigenwertbeiträge der Systemmatrix eines linearen Differentialgleichungssystems, wobei das numerische Lösungsverfahren dann stabil arbeitet, wenn alle Eigenwerte der Systemmatrix eine von der Schrittweite des numerischen Lösungsverfahrens abhängige Bedingung erfüllen. Das Differentialgleichungssystem beschreibt dabei zumindest ein Teilmodell einer Verbrennungskraftmaschine und die Systemmatrix wird durch Linearisierung des zu Grunde liegenden Differentialgleichungssystems gebildet, wie dort im Ausführungsbeispiel näher beschrieben ist. Die Verschiebung von mindestens einem Eigenwert, der insbesondere durch den Eigenwertbeitrag des Massenstroms über eine Trennstelle zwischen zwei Behältern bestimmt ist, in einen stabilen Bereich erfolgt gemäß diesem Ansatz mittels eines Skalierungsfaktors. Insbesondere beschreibt der Skalierungsfaktor einen Korrekturmassenstrom. In einer Ausführung dieses Ansatzes wird der Skalierungsfaktor als Funktion des Eigenwertbeitrages des Massenstromes über die jeweilige Trennstelle gewählt, wobei in einer besonders vorteilhaften Ausführung dieses Ansatzes das Kriterium dabei ist, dass der Eigenwertbeitrag gleich einem Grenzwert ist, wobei nur dann in das zugrunde liegende Modell eingegriffen wird, wenn der Eigenwertbeitrag des Massenstroms über die jeweilige Trennstelle kleiner als dieser Grenzwert ist. Durch diesen Ansatz wird demnach der Vorteil erreicht, dass Modelle zur Beschreibung des Betriebsverhaltens einer Verbrennungskraftmaschine, die insbesondere zur Steuerung und Regelung einer Verbrennungskraftmaschine verwendet werden, mit numerischen Lösungsverfahren, wie dem expliziten Euler-Verfahren und einer festen Schrittweite von beispielsweise 10 ms berechnet und in dem Steuergerät einer Verbrennungskraftmaschine echtzeitfähig implementiert werden können. Da kritische Komponenten, wie die Drosselklappe oder der Verdichter in der Ansaugleitung beziehungsweise die Turbine in der Abgasleitung in einigen Arbeitspunkten zu große Eigenwertbeiträge in den umgebenden Zuständen liefern, ist nicht durchgängig eine echtzeitfähige Berechnung der dazugehörigen Modelle, beispielsweise mit dem expliziten Euler-Verfahren, möglich. Vorteilhaft wird ein Ansatz zur Beeinflussung der Dynamik in den betreffenden Volumina und Arbeitspunkten angewendet. Dieser Ansatz erzeugt keinen stationären Fehler und insbesondere bei der Drosselklappe nur einen sehr kleinen dynamischen Fehler. Insgesamt wird mit diesen Maßnahmen ein echtzeitfähiges Modell erstellt, welches keinen zusätzlichen stationären Fehler erzeugt.For the stable calculation of a model of an internal combustion engine used to operate an internal combustion engine by means of a numerical solution method with a fixed increment, it is necessary from DE 10 2009 007 808 A1 previously known to shift all eigenvalues of the linearized model in operating points of the internal combustion engine, which are critical with regard to the stability of the calculation, into a stable area of the numerical solution method. This approach builds on the knowledge that the eigenvalues of a linearized model or a linearized system, consisting of two containers coupled by a separation point, are determined in particular by the eigenvalue contribution generated by the separation point. A separation point between two containers is preferably a throttle valve or a compressor in the intake line or a turbine in the exhaust line of an internal combustion engine. A decision as to whether the numerical solution method is stable is preferably made on the basis of an examination of the stability criterion for time-discrete systems in the state representation, as is described in more detail there in the exemplary embodiment. In terms of this approach, the particular whose eigenvalue contribution generated by the mass flow via a separation point between two containers corresponds to at least one eigenvalue contribution of several possible eigenvalue contributions of the system matrix of a linear differential equation system, with the numerical solution method then working stably if all the eigenvalues of the system matrix fulfill a condition dependent on the increment of the numerical solution method. The differential equation system describes at least one partial model of an internal combustion engine and the system matrix is formed by linearization of the underlying differential equation system, as is described in more detail there in the exemplary embodiment. According to this approach, the shifting of at least one eigenvalue, which is determined in particular by the eigenvalue contribution of the mass flow across a separation point between two containers, into a stable range takes place by means of a scaling factor. In particular, the scaling factor describes a correction mass flow. In one embodiment of this approach, the scaling factor is selected as a function of the eigenvalue contribution of the mass flow via the respective separation point, with the criterion in a particularly advantageous embodiment of this approach being that the eigenvalue contribution is equal to a limit value, and only then does the underlying model intervene if the eigenvalue contribution of the mass flow over the respective separation point is smaller than this limit value. This approach therefore has the advantage that models for describing the operating behavior of an internal combustion engine, which are used in particular for the control and regulation of an internal combustion engine, are calculated with numerical solution methods such as the explicit Euler method and a fixed step size of 10 ms, for example, and in can be implemented with real-time capability in the control unit of an internal combustion engine. Since critical components, such as the throttle valve or the compressor in the intake line or the turbine in the exhaust line, provide too large eigenvalue contributions in the surrounding states at some operating points, a real-time capable calculation of the associated models, for example with the explicit Euler method, is not consistently possible . An approach for influencing the dynamics in the relevant volumes and working points is advantageously used. This approach produces no steady-state error and very little dynamic error, particularly for the throttle valve. Overall, these measures create a real-time model that does not generate any additional stationary errors.

Aus der WO 1996/032579 A1 ist ein Verfahren zum modellgestützten Bestimmen der in die Zylinder eines Verbrennungsmotors einströmenden Luftmasse bekannt. Dabei erfolgt die Berechnung der tatsächlich in den Zylinder einströmenden Luftmasse mit Hilfe eines Saugrohrfüllungsmodells, welches aus den Eingangsgrößen Drosselklappenöffnungswinkel, Umgebungsdruck und Parametern, die die Ventilsteuerung repräsentieren, eine Lastgröße liefert, auf deren Grundlage die Einspritzzeit bestimmt wird. Außerdem wird diese Lastgröße zur Prädiktion herangezogen, um die Lastgröße zu einem Zeitpunkt abzuschätzen, der mindestens einen Abtastschritt später liegt als die aktuelle Berechnung der Einspritzzeit.From the WO 1996/032579 A1 a method for model-based determination of the air mass flowing into the cylinders of an internal combustion engine is known. The air mass actually flowing into the cylinder is calculated with the help of an intake manifold charge model, which supplies a load variable from the input variables throttle valve opening angle, ambient pressure and parameters that represent the valve control, on the basis of which the injection time is determined. In addition, this load variable is used for the prediction in order to estimate the load variable at a point in time that is at least one sampling step later than the current calculation of the injection time.

Die DE 697 23 754 T2 beschreibt eine Luft-Brennstoff-Verhältnisregelvorrichtung für Verbrennungsmotoren. Die Verhältnisregelvorrichtung umfasst einen Katalysator, der in einem Abgassystem des Verbrennungsmotors angeordnet ist, um ein von dem Verbrennungsmotor abgegebenes Abgas zu reinigen, einen ersten Abgassensor, der in dem Abgassystem angeordnet ist, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases stromaufwärts des Katalysators zu erfassen, und einen zweiten Abgassensor, der in dem Abgassystem angeordnet ist, um die Konzentration einer Komponente des durch den Katalysator hindurchgelaufenen bzw. -geströmten Abgases stromabwärts des Katalysators zu erfassen. Die Verhältnisregelvorrichtung umfasst ferner eine Korrekturgrößen-Berechnungseinrichtung zum Bestimmen einer Korrekturgröße, um ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Verbrennungsmotors auf der Grundlage einer Ausgabe von dem zweiten Abgassensor zu korrigieren, um die Konzentration der Komponente des Abgases stromabwärts des Katalysators mit einem vorbestimmten geeigneten Wert abzugleichen.the DE 697 23 754 T2 describes an air-fuel ratio control device for internal combustion engines. The ratio control device includes a catalyst arranged in an exhaust system of the internal combustion engine to purify an exhaust gas discharged from the internal combustion engine, a first exhaust gas sensor arranged in the exhaust system to detect the air-fuel ratio of the exhaust gas upstream of the catalyst , and a second exhaust gas sensor disposed in the exhaust system for detecting the concentration of a component of the exhaust gas passed through the catalyst downstream of the catalyst. The ratio control device further includes a correction quantity calculator for determining a correction quantity to correct an air-fuel ratio of the internal combustion engine based on an output from the second exhaust gas sensor in order to match the concentration of the component of the exhaust gas downstream of the catalyst with a predetermined appropriate value .

Ferner ist eine Steuereinrichtung zum Steuern des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Verbrennungsmotors auf der Grundlage der von der Korrekturgrößen-Berechnungseinrichtung bestimmten Korrekturgröße und einer Ausgabe des ersten Abgassensors vorgesehen, um die Konzentration der Komponente des Abgases stromabwärts des Katalysators gegen den vorbestimmten geeigneten Wert zu konvergieren. Die Vorrichtung umfasst eine Zustandsvorhersageeinrichtung zum Schätzen der vom zweiten Abgassensor erfassten Konzentration der Komponente des Abgases stromabwärts des Katalysators nach einer Totzeit in einem Abgassystem einschließlich des Katalysators zwischen dem ersten und dem zweiten Abgassensor auf der Grundlage von bis in die Gegenwart reichenden Ausgaben von dem ersten Abgassensor und auf der Grundlage von bis in die Gegenwart reichenden Ausgaben von dem zweiten Abgassensor. Dabei weist die Korrekturgrößen-Berechnungseinrichtung eine Einrichtung zum Bestimmen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Verbrennungsmotors auf, um die Konzentration der Komponente auf der Grundlage der von der Zustandsvorhersageeinrichtung geschätzten Konzentration der Komponente des Abgases stromabwärts des Katalysators mit dem vorbestimmten geeigneten Wert abzugleichen.Further provided is a control means for controlling the air-fuel ratio of the internal combustion engine based on the correction amount determined by the correction amount calculation means and an output of the first exhaust gas sensor to converge the concentration of the component of the exhaust gas downstream of the catalyst toward the predetermined appropriate value . The apparatus includes a state predictor for estimating the concentration of the component of the exhaust gas downstream of the catalyst detected by the second exhaust gas sensor after a dead time in an exhaust system including the catalyst between the first and second exhaust gas sensors based on outputs from the first exhaust gas sensor up to the present and based on to-date outputs from the second exhaust gas sensor. At this time, the correction quantity calculation means has means for determining the air-fuel ratio of the internal combustion engine to calculate the concentration of the component on the basis of the condition before predicting device to compare the estimated concentration of the component of the exhaust gas downstream of the catalyst with the predetermined suitable value.

Ferner sind aus der DE 101 58 262 A1 ein Verfahren zur Bestimmung der Zusammensetzung eines Gasgemischs in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors mit Abgasrückführung sowie ein Steuersystem zur Steuerung eines Verbrennungsmotors bekannt. Dabei wird Frischluft mit einem über die Abgasrückführung zurückgeführten Abgas des Verbrennungsmotors vermischt und das daraus resultierende Gasgemisch dem Brennraum des Verbrennungsmotors zugeführt. Es ist vorgesehen, dass die Zusammensetzung des Gasgemischs in dem Brennraum des Verbrennungsmotors unter Ermittlung entsprechender Zustandsgrößen des Verbrennungsmotors mittels Verwendung entsprechender physikalisch basierter Modelle bestimmt wird, welche in Bezug auf die jeweils zu ermittelnde Zustandsgröße das Verhalten des Verbrennungsmotors nachbilden.Furthermore, from the DE 101 58 262 A1 a method for determining the composition of a gas mixture in a combustion chamber of an internal combustion engine with exhaust gas recirculation and a control system for controlling an internal combustion engine are known. In this case, fresh air is mixed with an exhaust gas from the internal combustion engine that is recirculated via the exhaust gas recirculation and the resulting gas mixture is fed to the combustion chamber of the internal combustion engine. It is provided that the composition of the gas mixture in the combustion chamber of the internal combustion engine is determined by determining corresponding state variables of the internal combustion engine using corresponding physically based models which simulate the behavior of the internal combustion engine with regard to the state variable to be determined.

Die Methodik des aus der DE 10 2009 007 808 A1 bekannten Ansatzes führt jedoch zu einer Änderung der Modelleigenschaften, beispielsweise zu einer schwer nachvollziehbaren Vertrimmung der Dynamik und der Einführung von Korrekturmassenströmen. Darüber hinaus lässt sich keine geschlossene analytische Beschreibung des implementierten Modells mehr aufstellen, was für eine weitere Verwendung des Modells, beispielsweise für Diagnosezwecke, nachteilig ist.The methodology of the DE 10 2009 007 808 A1 However, the known approach leads to a change in the model properties, for example to a difficult to understand detriment of the dynamics and the introduction of correction mass flows. In addition, a closed analytical description of the implemented model can no longer be drawn up, which is disadvantageous for further use of the model, for example for diagnostic purposes.

Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, das explizite Euler-Verfahren durch einen ergänzenden Term für die geforderte feste Schrittweite zu stabilisieren. Dieser Term ist insbesondere ein arbeitspunktabhängiger Verstärkungsfaktor für die geforderte feste Schrittweite, wobei eine Stabilisierung des expliziten Euler-Verfahrens durch die mit dem Verstärkungsfaktor verbundene Verschiebung der Eigenwerte der Systemmatrix erfolgt. Insbesondere wird dadurch das zur Integration verwendete explizite Euler-Verfahren an das implizite Euler-Verfahren angenähert, welches bekanntermaßen A-stabil ist und damit eine stabile diskrete Implementierung eines kontinuierlichen stabilen Modells liefert. Durch dieses Vorgehen ist eine echtzeitfähige und stabile Berechnung des Modells in allen Betriebspunkten möglich. D. h. mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, die Zustände in einem System bestehend aus mindestens zwei durch eine Trennstelle gekoppelte Behälter unabhängig von den Eigenschaften der Trennstelle numerisch stabil zu berechnen. Im Unterschied zu der aus DE 10 2009 007 808 A1 bekannten Methode erfolgt die numerische Stabilisierung nicht durch eine explizite Korrektur/Modifikation im Modell, sondern über das Einbringen eines Verstärkungsfaktors in die Integrationsvorschrift des expliziten Euler-Verfahrens. Damit weicht die Modellbeschreibung des diskret implementierten Modells nicht von der analytischen und physikalisch motivierten Beschreibung des kontinuierlichen Modells ab, wie es z.B. durch das Einbringen von Korrekturmassenströmen notwendig ist. Die Umsetzung im Rahmen einer Echtzeitimplementierung erfolgt, wie beim expliziten Euler-Verfahren, ebenfalls quasi-kontinuierlich, wodurch die physikalische Sichtweise aus dem kontinuierlichen Modell auch für die diskrete Implementierung erhalten bleibt. Das für ein System, bestehend aus einer Reihenschaltung von Behältern und Trennstellen, resultierende Differentialgleichungssystem lässt sich mit der vorliegenden Methode erfindungsgemäß unabhängig von den über die Trennstellen fließenden Massenströmen und den zwischen den Behältern herrschenden Druckverhältnissen als zeitdiskrete Implementierung mit fester Schrittweise numerisch stabil berechnen. Dabei ist die Einführung von weiteren, über die physikalische Modellierung des Systems hinausgehenden Korrekturtermen oder Modellmodifikationen, beispielsweise einer Dynamikanpassung, Modellreduktion o. ä., nicht erforderlich. Erfindungsgemäß vorteilhaft ermöglicht das vorliegende Verfahren die echtzeitfähige Implementierung eines Modells zur Beschreibung des Betriebsverhaltens einer Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise mit einer Schrittweite von 10 ms, in physikalischer Darstellungsform, d. h. es liegt eine quasi-kontinuierliche Implementierung vor. Eine entsprechende Implementierung mit Hilfe des expliziten Euler-Verfahrens gemäß dem Stand der Technik würde eine durchgängig stabile Berechnung über alle Betriebspunkte nicht ermöglichen. Die Implementierung auf Basis des impliziten Euler-Verfahrens ist zwar aus Stabilitätsgründen zielführend, wegen der notwendigen iterativen Berechnung aber aus Ressourcengründen de facto nicht umzusetzen. Die vorliegende Erfindung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die analytischen und zeitkontinuierlichen Differentialgleichungen des Modells auch für die diskrete Implementierung in der Echtzeitumgebung ihre Gültigkeit behalten. Darüber hinaus ist eine separate Applikation von stabilisierenden Anteilen im Modell nicht erforderlich. Mit dem vorliegenden Verfahren ist es demgemäß möglich, ein kontinuierliches Modell Eins-zu-Eins in ein diskretes Modell zu überführen, ohne numerische Instabilitäten hervorzurufen.According to the invention, it is therefore proposed to stabilize the explicit Euler method using an additional term for the required fixed step size. This term is in particular an operating point-dependent amplification factor for the required fixed step size, with the explicit Euler method being stabilized by the shift in the eigenvalues of the system matrix associated with the amplification factor. In particular, the explicit Euler method used for integration is thereby approximated to the implicit Euler method, which is known to be A-stable and thus provides a stable, discrete implementation of a continuously stable model. This procedure enables a real-time capable and stable calculation of the model at all operating points. i.e. With the method according to the invention it is possible to calculate the states in a system consisting of at least two containers coupled by a separation point in a numerically stable manner, independently of the properties of the separation point. In contrast to the from DE 10 2009 007 808 A1 According to the known method, the numerical stabilization does not take place through an explicit correction/modification in the model, but through the introduction of an amplification factor into the integration rule of the explicit Euler method. Thus, the model description of the discretely implemented model does not deviate from the analytical and physically motivated description of the continuous model, as is necessary, for example, due to the introduction of correction mass flows. As in the case of the explicit Euler method, the implementation within the framework of a real-time implementation is also quasi-continuous, whereby the physical perspective from the continuous model is retained for the discrete implementation as well. The differential equation system resulting for a system consisting of a series connection of containers and separation points can be calculated numerically stable with the present method according to the invention, independently of the mass flows flowing through the separation points and the pressure conditions prevailing between the containers, as a time-discrete implementation with fixed steps. In this case, the introduction of further correction terms or model modifications, for example dynamic adaptation, model reduction or the like, going beyond the physical modeling of the system is not necessary. According to the invention, the present method advantageously enables the real-time capable implementation of a model for describing the operating behavior of an internal combustion engine, for example with an increment of 10 ms, in physical representation form, ie there is a quasi-continuous implementation. A corresponding implementation using the explicit Euler method according to the prior art would not allow a consistently stable calculation across all operating points. Although the implementation based on the implicit Euler method is expedient for reasons of stability, it cannot be implemented de facto for resource reasons due to the necessary iterative calculation. The present invention is characterized in particular by the fact that the analytical and time-continuous differential equations of the model also remain valid for the discrete implementation in the real-time environment. In addition, a separate application of stabilizing components in the model is not required. Accordingly, with the present method it is possible to transform a continuous model one-to-one into a discrete model without causing numerical instabilities.

Ausführungsbeispielexample

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel sowie den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen. Zunächst wird das aus der DE 10 2009 007 808 A1 bekannte Verfahren im Detail beschrieben, um anschließend das erfindungsgemäße Verfahren zu erläutern.Further advantageous refinements of the present invention can be found in the following exemplary embodiment and in the dependent patent claims. First of all, that is from the DE 10 2009 007 808 A1 known methods are described in detail in order to then explain the method according to the invention.

Hierbei zeigt:

  • 1: ein Modell der Ansauganlage einer Verbrennungskraftmaschine.
This shows:
  • 1 : a model of the intake system of an internal combustion engine.

Ein allgemein bekannter physikalischer Modellansatz zur Steuerung und Regelung einer Verbrennungskraftmaschine beschreibt die Ansauganlage. Wie in 1 dargestellt, beschreibt ein einfaches Modell der Ansauganlage einen ersten Behälter 1 und einen zweiten Behälter 2, die durch eine Drosselklappe 3 voneinander getrennt sind beziehungsweise durch das Schließen der Drosselklappe 3 voneinander getrennt werden können. Dem Behälter 2 fließt über einen Luftfilter 4 Umgebungsluft ṁLF zu, wie durch den Pfeil angedeutet. In dem Behälter 2 herrscht die Temperatur T2i und der Druck p2i und in dem Behälter 1 die Temperatur T1i und der Druck p1i. Vereinfachend wird bei diesem isothermen Modellansatz davon ausgegangen, dass die Temperaturen T1i und T2i in den Behältern 1 und 2 sowie die Umgebungstemperatur gleiche Werte haben und konstant sind. Außerdem wird angenommen, dass die Temperatur T1i, T2i in beiden Behältern 1 und 2 gleich der Temperatur der einströmenden Umgebungsluft ist und es zu keinem Wärmeaustausch mit der Umgebung kommt. Über die Drosselklappe 3 fließt dem Behälter 1 ein Massenstrom ṁDK zu. Aus dem Behälter 1 fließt weiterhin ein Massenstrom ṁEV zu den Brennräumen der Verbrennungskraftmaschine aus dem Behälter 1 ab. Aufbauend auf dem allgemeinen Gasgesetz kann unter den genannten Annahmen und definierten Größen die Zustandsdifferentialgleichung des Druckes p1i im Behälter 1 als Funktion der Massenströme ṁDK und ṁEV gemäß Gleichung (1) dargestellt werden. p ˙ 1 i = R L u f t T 1 i V 1 i ( m ˙ D K m ˙ E V )

Figure DE102011014767B4_0001
A well-known physical model approach to the control and regulation of an internal combustion engine describes the intake system. As in 1 shown, a simple model of the intake system describes a first container 1 and a second container 2, which are separated from one another by a throttle valve 3 or can be separated from one another by closing the throttle valve 3. Ambient air ṁ LF flows to the container 2 via an air filter 4, as indicated by the arrow. Temperature T 2i and pressure p 2i prevail in container 2 and temperature T 1i and pressure p 1i prevail in container 1 . To simplify things, this isothermal model approach assumes that the temperatures T 1i and T 2i in containers 1 and 2 and the ambient temperature have the same values and are constant. In addition, it is assumed that the temperature T 1i , T 2i in both containers 1 and 2 is equal to the temperature of the inflowing ambient air and that there is no heat exchange with the surroundings. A mass flow ṁ DK flows to the container 1 via the throttle valve 3 . A mass flow m EV continues to flow out of container 1 to the combustion chambers of the internal combustion engine. Based on the general gas law, the state differential equation of the pressure p 1i in the container 1 can be represented as a function of the mass flows ṁ DK and ṁ EV according to equation (1) under the assumptions mentioned and defined variables. p ˙ 1 i = R L and f t T 1 i V 1 i ( m ˙ D K m ˙ E V )
Figure DE102011014767B4_0001

Der Massenstrom ṁDK über die Drosselklappe 3 kann wie allgemein bekannt gemäß Gleichung (2) dargestellt werden, wobei A der durchströmten Fläche als Funktion des Drosselklappenwinkels αDK und Ψ der Durchflussfunktion entspricht, welche die Wirkung der Drosselklappe 3 in Abhängigkeit des Druckverhältnisses über der Drosselklappe 3 beschreibt. m ˙ D K = A ( α D K ) p 2 i R L u f t T 2 i ψ ( p 1 i p 2 i )

Figure DE102011014767B4_0002
ψ ( p 1 i p 2 i ) = { 2 κ κ 1 ( ( p 1 i p 2 i ) 2 κ ( p 1 i p 2 i ) κ + 1 κ )   f u ¨ r   p 1 i p 2 i ( 2 κ + 1 ) κ κ 1 κ ( 2 κ + 1 ) κ + 1 κ 1   f u ¨ r   p 1 i p 2 i < ( 2 κ + 1 ) κ κ 1
Figure DE102011014767B4_0003
The mass flow ṁ DK via the throttle valve 3 can be represented as is generally known according to equation (2), where A corresponds to the flow area as a function of the throttle valve angle α DK and Ψ to the flow function, which corresponds to the effect of the throttle valve 3 as a function of the pressure ratio across the throttle valve 3 describes. m ˙ D K = A ( a D K ) p 2 i R L and f t T 2 i ψ ( p 1 i p 2 i )
Figure DE102011014767B4_0002
ψ ( p 1 i p 2 i ) = { 2 k k 1 ( ( p 1 i p 2 i ) 2 k ( p 1 i p 2 i ) k + 1 k ) f and ¨ right p 1 i p 2 i ( 2 k + 1 ) k k 1 k ( 2 k + 1 ) k + 1 k 1 f and ¨ right p 1 i p 2 i < ( 2 k + 1 ) k k 1
Figure DE102011014767B4_0003

Die Herleitung der Durchflussfunktion Ψ ist beispielsweise der Literaturstelle Merker, G. P. ; Schwarz, C. ; Stiesch, G. : Verbrennungsmotoren. Simulation der Verbrennung und Schadstoffbildung. Teuber, 2004 zu entnehmen.The derivation of the flow function Ψ can be found, for example, in the literature reference Merker, G. P.; Black, C. ; Stiesch, G. : Internal combustion engines. Simulation of combustion and pollutant formation. Teuber, 2004.

Der Massenstrom ṁEV, der zu den Brennräumen aus dem Behälter 1 abfließt, kann weiterhin gemäß Gleichung (3) beschrieben werden, wobei KMot einer motorspezifischen Konstante mit der Einheit m i n k g % s

Figure DE102011014767B4_0004
und nMot der Drehzahl der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine entspricht. Die beiden Koeffizienten cEV,1 und cEV,2 beschreiben ferner den im Wesentlichen linearen funktionalen Zusammenhang zwischen dem Druck p1i im Behälter 1 und einer so genannten relativen Füllung, wobei die relative Füllung als Quotient der aktuellen Luftfüllung zu einer Luftfüllung unter bestimmten Normbedingungen, multipliziert mit 100%, beschrieben wird. m ˙ E V = K M o t n M o t ( c E V ,1 p 1 i + c E V ,2 )
Figure DE102011014767B4_0005
The mass flow ṁ EV that flows out of the container 1 to the combustion chambers can also be described according to equation (3), where K Mot is an engine-specific constant with the unit m i n k G % s
Figure DE102011014767B4_0004
and n Mot corresponds to the rotational speed of the crankshaft of the internal combustion engine. The two coefficients c EV,1 and c EV,2 also describe the essentially linear functional relationship between the pressure p 1i in the container 1 and a so-called relative filling, the relative filling being the quotient of the current air filling to an air filling under certain standard conditions , multiplied by 100%. m ˙ E V = K M O t n M O t ( c E V ,1 p 1 i + c E V ,2 )
Figure DE102011014767B4_0005

Zusätzlich wird der Behälter 2 gemäß Gleichung (4) betrachtet. p ˙ 2 i = R L u f t T 2 i V 2 i ( m ˙ L F m ˙ D K )

Figure DE102011014767B4_0006
In addition, container 2 is considered according to equation (4). p ˙ 2 i = R L and f t T 2 i V 2 i ( m ˙ L f m ˙ D K )
Figure DE102011014767B4_0006

Der Behälter 2 wird über die Drosselklappe 3 entleert und über einen linearen Strömungswiderstand gegen den Druck der Umgebungsluft pUmg abgegrenzt, wobei der Strömungswiderstand als linearisierte Darstellung des Luftfilters 4 gemäß Gleichung (5) interpretiert wird. m ˙ L F = c L F ( p U m g p 2 i )

Figure DE102011014767B4_0007
The container 2 is emptied via the throttle valve 3 and is delimited by a linear flow resistance against the pressure of the ambient air p Amb , the flow resistance being interpreted as a linearized representation of the air filter 4 according to equation (5). m ˙ L f = c L f ( p u m G p 2 i )
Figure DE102011014767B4_0007

Der Koeffizient cLF beschreibt dabei den Strömungswiderstand, der durch den Luftfilter 4 bedingt ist.The coefficient c LF describes the flow resistance that is caused by the air filter 4 .

Zum weiteren Verständnis wird weiterhin vorerst auf das explizite Euler-Verfahren zur numerischen Lösung von gewöhnlichen Differentialgleichungssystemen erster Ordnung der Form gemäß Gleichung (5.1) eingegangen, x ˙ ( t ) = f ( x ( t ) ) ,   t [ t 0 , T ]   x n ,   f n

Figure DE102011014767B4_0008
das mit der Anfangsbedingung gemäß (5.2) x ( t 0 ) = x 0 ,   x 0 n
Figure DE102011014767B4_0009
beschrieben werden kann. Dafür werden (5.1) und (5.2) zunächst in die Integralform gemäß (5.3) überführt. x ( t ) = x 0 + t 0 t f ( x ( s ) ) d s ,   t [ t 0 , T ]
Figure DE102011014767B4_0010
For further understanding, the explicit Euler method for the numerical solution of ordinary first-order differential equation systems of the form according to Equation (5.1) will be discussed first, x ˙ ( t ) = f ( x ( t ) ) , t [ t 0 , T ] x n , f n
Figure DE102011014767B4_0008
that with the initial condition according to (5.2) x ( t 0 ) = x 0 , x 0 n
Figure DE102011014767B4_0009
can be described. For this purpose (5.1) and (5.2) are first converted into the integral form according to (5.3). x ( t ) = x 0 + t 0 t f ( x ( s ) ) i.e s , t [ t 0 , T ]
Figure DE102011014767B4_0010

Die Lösung von (5.3) zum Zeitpunkt t0 +Δt entspricht demnach wie (5.4) in dargestellt. x ( t 0 + Δ t ) = x 0 + t 0 t 0 + Δ t f ( x ( s ) ) d s ,   t [ t 0 , T ]

Figure DE102011014767B4_0011
The solution of (5.3) at time t 0 +Δt corresponds to (5.4) shown in FIG. x ( t 0 + Δ t ) = x 0 + t 0 t 0 + Δ t f ( x ( s ) ) i.e s , t [ t 0 , T ]
Figure DE102011014767B4_0011

Da der Integrand in vielen Fällen nicht numerisch integrierbar ist, wird angenommen, dass dieser im Intervall [t0, t0 + Δt] für eine genügend kleine Integrationsschrittweite Δt gemäß (5.5) beziehungsweise (5.6) konstant ist. f ( x ( s ) ) = f ( x 0 )

Figure DE102011014767B4_0012
x ( t 0 + Δ t ) = x 0 + t 0 t 0 + Δ t f ( x 0 ) d s = x 0 + Δ t f ( x 0 )
Figure DE102011014767B4_0013
Since the integrand cannot be integrated numerically in many cases, it is assumed that it is constant in the interval [t 0 , t 0 + Δt] for a sufficiently small integration step size Δt according to (5.5) or (5.6). f ( x ( s ) ) = f ( x 0 )
Figure DE102011014767B4_0012
x ( t 0 + Δ t ) = x 0 + t 0 t 0 + Δ t f ( x 0 ) i.e s = x 0 + Δ t f ( x 0 )
Figure DE102011014767B4_0013

Aus der Gleichung für den ersten Schritt (5.6) wird die Rekursionsgleichung (5.7) für die approximierte Lösung von (5.1) und (5.2) im gesamten Intervall [t0,T] abgeleitet. x ( t i + t Δ ) = x ( t i ) + Δ t f ( x ( t i ) )

Figure DE102011014767B4_0014
From the equation for the first step (5.6) the recursion equation (5.7) for the approximated solution of (5.1) and (5.2) in the entire interval [t 0 ,T] is derived. x ( t i + t Δ ) = x ( t i ) + Δ t f ( x ( t i ) )
Figure DE102011014767B4_0014

Für eine bessere Übersicht wird im Folgenden die Schreibweise gemäß (5.8) verwendet. x i + 1 = x i + Δ t f ( x i )

Figure DE102011014767B4_0015
For a better overview, the notation according to (5.8) is used below. x i + 1 = x i + Δ t f ( x i )
Figure DE102011014767B4_0015

Die Konvergenz des expliziten Euler-Verfahrens hängt wesentlich von der gewählten Schrittweite Δt ab. Kommt es innerhalb eines Integrationsschrittes zu ausgeprägten Änderungen in den Zuständen x, ist das explizite Euler-Verfahren nicht in der Lage diese abzubilden. Nicht nur die Konvergenz des Verfahrens, sondern auch die Stabilität hängt von der gewählten Schrittweite Δt ab. Ist die Schrittweite zur Berechnung einer bestimmten Eigenbewegung in (5.1), (5.2) zu groß, kommt es zu einem exponentiellen Wachstum des Verfahrensfehlers und das explizite Euler-Verfahren wird instabil. Die Stabilität des expliziten Euler-Verfahrens in Verbindung mit dem zu Grunde liegenden Modell der Verbrennungskraftmaschine wird nur in ausgewählten Arbeitspunkten des Systems nachgewiesen. Ist das explizite Euler-Verfahren in allen am Prüfstand gemessenen Arbeitspunkten stabil und sind diese eng genug gewählt, wird angenommen, dass auch alle Arbeitspunktübergänge stabil berechnet werden können und das Verfahren im interessierenden Arbeitsbereich insgesamt stabil arbeitet. Als Arbeitsbereich wird dabei der von den Arbeitspunkten abgedeckte Raum verstanden. Die Verfahrensstabilität selbst wird anhand des Stabilitätskriteriums für zeitdiskrete Systeme in Zustandsdarstellung untersucht.The convergence of the explicit Euler method essentially depends on the chosen step size Δt. If there are pronounced changes in the states x within an integration step, the explicit Euler method is not able to map them. Not only the convergence of the method, but also the stability depends on the selected step size Δt. If the step size for calculating a specific proper motion in (5.1), (5.2) is too large, the error in the method will grow exponentially and the explicit Euler method will become unstable. The stability of the explicit Euler method in connection with the underlying model of the internal combustion engine is only verified at selected operating points of the system. If the explicit Euler method is stable in all operating points measured on the test bench and if these are chosen narrow enough, it is assumed that all operating point transitions can also be calculated stably and the method in the relevant working area works stably overall. The working area is understood to mean the space covered by the working points. The process stability itself is examined using the stability criterion for time-discrete systems in state representation.

Zur Beschreibung der Systemdynamik wird die Änderung der Systemzustände f(x(t)) in (5.1) im Arbeitspunkt xR linearisiert. Die Bezeichnung Arbeitspunkt meint dabei, dass sich das System in diesem Punkt in einer Ruhelage befindet, die Zustände somit konstant sind. Die Reihenentwicklung von f(x) gemäß (5.9) f ( x ) = f ( x R ) + f ( x ) x | x = x R ( x x R ) + 1 2 2 f ( x ) x x T | x = x R ( x x R ) ( x x R ) T +

Figure DE102011014767B4_0016
wird nach dem Linearglied abgebrochen, vergleiche (5.10). f ( x ) f ( x R ) + f ( x ) x | x = x r ( x x R )
Figure DE102011014767B4_0017
To describe the system dynamics, the change in the system states f(x(t)) in (5.1) is linearized at the operating point x R . The designation working point means that the system is in a rest position at this point, so the states are constant. The series expansion of f(x) according to (5.9) f ( x ) = f ( x R ) + f ( x ) x | x = x R ( x x R ) + 1 2 2 f ( x ) x x T | x = x R ( x x R ) ( x x R ) T + ...
Figure DE102011014767B4_0016
is terminated after the linear term, compare (5.10). f ( x ) f ( x R ) + f ( x ) x | x = x right ( x x R )
Figure DE102011014767B4_0017

Die Linearisierung von (5.1) soll die Systemdynamik nur in der Umgebung von xR beschreiben, da xR eine Ruhelage des Systems (5.1) ist, gilt f(xR) = 0, wodurch sich (5.10) gemäß (5.11) vereinfacht. f ( x ) f ( x ) x | x = x r ( x x R )

Figure DE102011014767B4_0018
The linearization of (5.1) should only describe the system dynamics in the vicinity of x R , since x R is a rest position of the system (5.1), f(x R ) = 0 applies, which simplifies (5.10) according to (5.11). f ( x ) f ( x ) x | x = x right ( x x R )
Figure DE102011014767B4_0018

Die linearisierte Darstellung von (5.1) im Arbeitspunkt xR entspricht damit der Darstellung gemäß (5.12). d d t ( x ( t ) x R ) = f ( x ) x | x = x R ( x ( t ) x R )

Figure DE102011014767B4_0019
The linearized representation of (5.1) at the operating point x R thus corresponds to the representation according to (5.12). i.e i.e t ( x ( t ) x R ) = f ( x ) x | x = x R ( x ( t ) x R )
Figure DE102011014767B4_0019

Üblicherweise wird die Verschiebung x(t) - xR in der Schreibweise vernachlässigt, so dass die im Arbeitspunkt linearisierte Darstellung des Systems (5.12) mit d d t x R = 0

Figure DE102011014767B4_0020
gemäß (5.13) x ˙ ( t ) = f ( x ) x | x = x R x ( t )
Figure DE102011014767B4_0021
beziehungsweise gemäß (5.14) f ( x ) x | x = x R = [ f 1 x 1 f 1 x n f n x 1 f n x n ] | X R = A | X R
Figure DE102011014767B4_0022
lautet. Damit kann die Gleichung des expliziten Euler-Verfahrens (5.8) gemäß (5.15) beziehungsweise gemäß (5.16) und mit Φ = (In + Δt · A) gemäß (5.17) geschrieben werden. x i + 1 = x i + Δ t A | X R x i
Figure DE102011014767B4_0023
x i + 1 = ( I n + Δ t A ) x i
Figure DE102011014767B4_0024
x i + 1 = Φ x i
Figure DE102011014767B4_0025
The shift x(t) - x R is usually neglected in the notation, so that the representation of the system (5.12) linearized at the operating point with i.e i.e t x R = 0
Figure DE102011014767B4_0020
according to (5.13) x ˙ ( t ) = f ( x ) x | x = x R x ( t )
Figure DE102011014767B4_0021
or according to (5.14) f ( x ) x | x = x R = [ f 1 x 1 f 1 x n f n x 1 f n x n ] | X R = A | X R
Figure DE102011014767B4_0022
reads. Thus the equation of the explicit Euler method (5.8) can be written according to (5.15) or according to (5.16) and with Φ = (I n + Δt · A) according to (5.17). x i + 1 = x i + Δ t A | X R x i
Figure DE102011014767B4_0023
x i + 1 = ( I n + Δ t A ) x i
Figure DE102011014767B4_0024
x i + 1 = Φ x i
Figure DE102011014767B4_0025

Das System (5.17) ist stabil, wenn alle Eigenwerte λΦ,k der Matrix Φ die Bedingung gemäß (5.18) erfüllen, wie beispielsweise der Literaturstelle Lunze, D. I. J.: Regelungstechnik 2. Bd. 2. 2. Springer, 2002 zu entnehmen ist. | λ Φ , k | < 1   ( k = 1,2,..., n )

Figure DE102011014767B4_0026
The system (5.17) is stable if all eigenvalues λ Φ,k of the matrix Φ fulfill the condition according to (5.18), as can be taken from the literature Lunze, DIJ: Regeltechnik 2. Bd. 2. 2. Springer, 2002. | λ Φ , k | < 1 ( k = 1,2,..., n )
Figure DE102011014767B4_0026

Daraus folgt, dass die Eigenwerte λA,k der Systemmatrix A für die Stabilität von (5.15) der Bedingung gemäß (5.19) genügen müssen. | λ A , k Δ t + 1 | < 1   ( k = 1,2,..., n )

Figure DE102011014767B4_0027
From this it follows that the eigenvalues λ A,k of the system matrix A must satisfy the condition according to (5.19) for the stability of (5.15). | λ A , k Δ t + 1 | < 1 ( k = 1,2,..., n )
Figure DE102011014767B4_0027

Mit diesen Ungleichungen (5.18, 5.19) wird der Zusammenhang zwischen der Systemdynamik des Modells und der für eine stabile Berechnung erforderlichen Abtastzeit formuliert. Um eine Aussage zu treffen, ob ein gegebenes System (5.1, 5.2) mit der Abtastzeit Δt im Ruhepunkt xR beziehungsweise einer gewissen Umgebung um diesen Punkt stabil mit dem expliziten Euler-Verfahren berechnet werden kann, wird das System in diesem Arbeitspunkt linearisiert, die Systemmatrix A berechnet und anhand der Eigenwerte λA,k der Systemmatrix A entschieden, ob die Ungleichungen aus (5.19) erfüllt sind. Aus (5.19) folgt, dass die reellen Eigenwerte λA,k der Systemmatrix A bei einer Abtastzeit von 10 ms im Bereich gemäß (5.20) liegen müssen. 200 1 s < λ A , k < 0 1 s

Figure DE102011014767B4_0028
With these inequalities (5.18, 5.19) the relationship between the system dynamics of the model and the sampling time required for a stable calculation is formulated. In order to make a statement as to whether a given system (5.1, 5.2) with the sampling time Δt at the rest point x R or a certain environment around this point can be calculated stably with the explicit Euler method, the system is linearized at this working point, the system matrix A is calculated and based on the eigenvalues λ A,k of the system matrix A it is decided whether the inequalities from (5.19) are fulfilled. From (5.19) it follows that the real eigenvalues λ A,k of the system matrix A must be in the range according to (5.20) for a sampling time of 10 ms. 200 1 s < λ A , k < 0 1 s
Figure DE102011014767B4_0028

Sind die Eigenwerte komplex, muss (5.19) komplexwertig ausgewertet werden.If the eigenvalues are complex, (5.19) must be evaluated as complex.

Um den Einfluss des Massenstroms ṁDK über die Drosselklappe 3 auf die Dynamik des jeweiligen Modells beispielhaft zu beschreiben, werden alle Prozessgrößen auf Messungen gesetzt, die in einem Arbeitspunkt unter Einsatz eines Motorprüfstandes und geeigneter messtechnischer Mittel bestimmt wurden. Dabei wird bevorzugt ein Arbeitspunkt gewählt, bei dem das Druckverhältnis p 1 i p 2 i

Figure DE102011014767B4_0029
über die Drosselklappe 3 nahe eins ist. Die Parameter des Modells und die Prozessgrößen in dem gemessenen Arbeitspunkt sind gemäß Tabelle (a) dargestellt. Tabelle (a) p1i = 1.2921 · 105 Pa T1i = 300K V1i = 2dm3 n M o t = 1500 1 m i n
Figure DE102011014767B4_0030
p2i = 1.3133 · 105 Pa T2i = 300K V2i = 1dm3 αDK = 34% A(αDK)= 3.5 · 10-4 m2 R L u f t = 287 J K k g
Figure DE102011014767B4_0031
c L F = 1.5 10 7 k g s P a
Figure DE102011014767B4_0032
KMot = 2.155 · 10-7
cEV,1 = 7.4051 · 10-4 cEV,2 = -4.8540 κ = 1.4
In order to describe the influence of the mass flow ṁ DK via the throttle valve 3 on the dynamics of the respective model, all process variables are set to measurements that were determined at an operating point using an engine test bench and suitable measurement technology. In this case, an operating point is preferably selected at which the pressure ratio p 1 i p 2 i
Figure DE102011014767B4_0029
across the throttle valve 3 is close to one. The parameters of the model and the process variables in the measured operating point are shown according to table (a). table (a) p 1i = 1.2921 10 5 Pa T 1i = 300K V 1i = 2dm 3 n M O t = 1500 1 m i n
Figure DE102011014767B4_0030
p 2i = 1.3133 10 5 Pa T2i = 300K V 2i = 1dm 3 α DK = 34% A(α DK )= 3.5 10 -4 m 2 R L and f t = 287 J K k G
Figure DE102011014767B4_0031
c L f = 1.5 10 7 k G s P a
Figure DE102011014767B4_0032
K mot = 2,155 x 10 -7
c EV,1 = 7.4051 10 -4 c EV,2 = -4.8540 k = 1.4

Zur weiteren Beschreibung des Einflusses des Massenstroms ṁDK über die Drosselklappe 3 auf die Dynamik des jeweiligen Modells wird im weiteren Verlauf zunächst die Dynamik der Differentialgleichung gemäß (1) untersucht. Dazu wird gemäß (6, 6.1, 6.2) eine Systemmatrix A von Gleichung (1) durch Linearisierung gebildet. A = λ = p 1 i ( R L u f t T 1 i V 1 i ( m ˙ D K ( p 1 i ) m ˙ E V ( p 1 i ) ) )

Figure DE102011014767B4_0033
= R L u f t T 1 i V 1 i p 1 i m ˙ D K ( p 1 i ) R L u f t T 1 i V 1 i p 1 i m ˙ E V ( p 1 i )
Figure DE102011014767B4_0034
= λ D K + λ E V
Figure DE102011014767B4_0035
For a further description of the influence of the mass flow ṁ DK via the throttle valve 3 on the dynamics of the respective model, the dynamics of the differential equation according to (1) will first be examined in the further course. For this purpose, according to (6, 6.1, 6.2), a system matrix A of equation (1) is formed by linearization. A = λ = p 1 i ( R L and f t T 1 i V 1 i ( m ˙ D K ( p 1 i ) m ˙ E V ( p 1 i ) ) )
Figure DE102011014767B4_0033
= R L and f t T 1 i V 1 i p 1 i m ˙ D K ( p 1 i ) R L and f t T 1 i V 1 i p 1 i m ˙ E V ( p 1 i )
Figure DE102011014767B4_0034
= λ D K + λ E V
Figure DE102011014767B4_0035

Der Eigenwertbeitrag λEV des Massenstroms ṁEV durch die Einlassventile kann daher gemäß (7, 7.1, 7.2) auf Grundlage von Gleichung (3) bestimmt werden. λ E V =   R L u f t T 1 i V 1 i p 1 i ( K M o t n M o t ( c E V ,1 p 1 i + c E V ,2 ) )

Figure DE102011014767B4_0036
λ E V =   R L u f t T 1 i V 1 i K M o t n M o t c E V ,1
Figure DE102011014767B4_0037
λ E V =   10 .31 1 s
Figure DE102011014767B4_0038
The eigenvalue contribution λ EV of the mass flow ṁ EV through the intake valves can therefore be determined according to (7, 7.1, 7.2) based on equation (3). λ E V = R L and f t T 1 i V 1 i p 1 i ( K M O t n M O t ( c E V ,1 p 1 i + c E V ,2 ) )
Figure DE102011014767B4_0036
λ E V = R L and f t T 1 i V 1 i K M O t n M O t c E V ,1
Figure DE102011014767B4_0037
λ E V = 10 .31 1 s
Figure DE102011014767B4_0038

Der Eigenwertbeitrag λEV ist betragsmäßig klein und hängt nicht vom Druck p1i im Behälter 1 oder vom Druck p2i im Behälter 2 ab.The amount of the eigenvalue contribution λ EV is small and does not depend on the pressure p 1i in container 1 or on the pressure p 2i in container 2.

Der Eigenwertbeitrag λDK des Massenstroms ṁDK über die Drosselklappe 3 hängt demgegenüber durch die Durchflusskennlinie ψ ( p 1 i p 2 i )

Figure DE102011014767B4_0039
sehr stark vom Druckverhältnis über die Drosselklappe 3 ab, wie gemäß (8, 8.1, 8.2) dargestellt. λ D K =   R L u f t T 1 i V 1 i p 1 i m ˙ D K ( p 1 i )
Figure DE102011014767B4_0040
λ D K =   R L u f t T 1 i V 1 i A ( α D K ) R L u f t T 2 i ψ ' ( p 1 i p 2 i )
Figure DE102011014767B4_0041
λ E V =   278. 32 1 s
Figure DE102011014767B4_0042
In contrast, the eigenvalue contribution λ DK of the mass flow ṁ DK via the throttle valve 3 depends on the flow characteristic ψ ( p 1 i p 2 i )
Figure DE102011014767B4_0039
depends very much on the pressure ratio across the throttle valve 3, as shown in accordance with (8, 8.1, 8.2). λ D K = R L and f t T 1 i V 1 i p 1 i m ˙ D K ( p 1 i )
Figure DE102011014767B4_0040
λ D K = R L and f t T 1 i V 1 i A ( a D K ) R L and f t T 2 i ψ ' ( p 1 i p 2 i )
Figure DE102011014767B4_0041
λ E V = 278 32 1 s
Figure DE102011014767B4_0042

Ursache dafür ist, dass die Ableitung der Durchflusskennlinie ψ ' ( p 1 i p 2 i )

Figure DE102011014767B4_0043
theoretisch für Druckverhältnisse nahe eins gegen minus unendlich geht. Das bedeutet, dass auch der Eigenwertbeitrag λDK des Massenstroms ṁDK über die Drosselklappe 3 gegen minus unendlich geht.The reason for this is that the derivation of the flow rate characteristic ψ ' ( p 1 i p 2 i )
Figure DE102011014767B4_0043
theoretically goes to minus infinity for pressure ratios close to one. This means that the eigenvalue contribution λ DK of the mass flow ṁ DK via the throttle valve 3 also approaches minus infinity.

Wird das Modell gemäß den Gleichungen (1) und (4) betrachtet, so wird dessen Dynamik durch die Eigenwerte λ1 und λ2 der Systemmatrix A gemäß (9, 9.1) charakterisiert. A = [ p 1 i p ˙ 1 i p 2 i p ˙ 1 i p 1 i p ˙ 2 i p 2 i p ˙ 2 i ] = [ 288.62 282.97 556.63 578.85 ]

Figure DE102011014767B4_0044
λ 1 = 856.31 1 s   λ 2 =  -11 .16 1 s
Figure DE102011014767B4_0045
If the model is considered according to equations (1) and (4), its dynamics are characterized by the eigenvalues λ 1 and λ 2 of the system matrix A according to (9, 9.1). A = [ p 1 i p ˙ 1 i p 2 i p ˙ 1 i p 1 i p ˙ 2 i p 2 i p ˙ 2 i ] = [ 288.62 282.97 556.63 578.85 ]
Figure DE102011014767B4_0044
λ 1 = 856.31 1 s λ 2 = -11 .16 1 s
Figure DE102011014767B4_0045

Es wird deutlich, dass das Modell bestehend aus den Behältern 1 und 2 und der Drosselklappe 3 mit dem expliziten Euler-Verfahren und einer Schrittweite von 10 ms nicht berechnet werden kann. Dieses Ergebnis kann auf ein übergeordnetes Gesamtmodell übertragen werden.It becomes clear that the model consisting of containers 1 and 2 and throttle valve 3 cannot be calculated using the explicit Euler method and a step size of 10 ms. This result can be transferred to a higher-level overall model.

Um das Modell gemäß (1) und (4) mit einer Schrittweite von 10 ms berechnen zu können, wird erfindungsgemäß die Integrationsvorschrift für das klassische Euler-Verfahren (5.8) um einen Term erweitert und somit an das implizite Euler-Verfahren angenähert. Die Vorgehensweise wird im Folgenden näher erläutert.In order to be able to calculate the model according to (1) and (4) with an increment of 10 ms, the integration rule for the classic Euler method (5.8) is expanded by one term according to the invention and thus approximated to the implicit Euler method. The procedure is explained in more detail below.

Ausgehend von der Systemgleichung für das implizite Euler-Verfahren x i + 1 = x i + Δ t ƒ ( x i + 1 )

Figure DE102011014767B4_0046
welches für alle stabilen Systeme gleichfalls eine stabile diskrete Implementierung unabhängig von der Schrittweite ermöglicht, kann mit Hilfe der Taylor-Reihenentwicklung ƒ ( x i + 1 ) ƒ ( x i ) + ƒ x | x i ( x i + 1 x i )
Figure DE102011014767B4_0047
eine Näherungslösung in der Form x i + 1 = x i + Δ t ( E Δ t ƒ x | x 3 ) 1 ƒ ( x i )
Figure DE102011014767B4_0048
ermittelt werden, wobei mit E die Einheitsmatrix und mit ƒ ( x ) x | x i = [ ƒ x 1 ƒ 1 x n ƒ n x 1 ƒ n x n ] | x i = A | x i
Figure DE102011014767B4_0049
die linearisierte Prozessdynamik gemäß Gleichung (5.14) beschrieben wird. Unter der Annahme einer gewissen Beschränktheit (u. a. der Erfüllung der Lipschitz-Bedingung) von Gleichung (11) liefert die Berechnungsvorschrift aus (12) ebenfalls eine numerisch stabile Lösung. Diese ist unabhängig von den Systemeigenschaften/der Systemdynamik und der Schrittweite der Berechnung. Dabei wird aus einem Vergleich von Gleichung (5.8) und Gleichung (12) deutlich, dass die Integrationsvorschrift für das explizite Euler-Verfahren erfindungsgemäß um eine arbeitspunktabhängige Verstärkung ( E Δ t ƒ x | x i ) 1
Figure DE102011014767B4_0050
erweitert und letztendlich stabilisiert wird. Diese Tatsache wird durch die folgenden Ausführungen näher erläutert. Für die im Arbeitspunkt xR linearisierte Darstellung des neuen Verfahrens aus Gleichung (12) folgt analog zur Herleitung von Gleichung (5.16) x i + 1 = [ I n + Δ t ( I n Δ t A ) 1 A ] x i .
Figure DE102011014767B4_0051
Starting from the system equation for the implicit Euler method x i + 1 = x i + Δ t ƒ ( x i + 1 )
Figure DE102011014767B4_0046
which also enables a stable discrete implementation for all stable systems, independent of the step size, can be developed with the help of the Taylor series expansion ƒ ( x i + 1 ) ƒ ( x i ) + ƒ x | x i ( x i + 1 x i )
Figure DE102011014767B4_0047
an approximate solution in the form x i + 1 = x i + Δ t ( E Δ t ƒ x | x 3 ) 1 ƒ ( x i )
Figure DE102011014767B4_0048
be determined, where E is the identity matrix and ƒ ( x ) x | x i = [ ƒ x 1 ƒ 1 x n ƒ n x 1 ƒ n x n ] | x i = A | x i
Figure DE102011014767B4_0049
the linearized process dynamics are described according to equation (5.14). Assuming that Equation (11) is limited to a certain extent (including the fulfillment of the Lipschitz condition), the calculation rule from (12) also provides a numerically stable solution. This is independent of the system properties/system dynamics and the increment of the calculation. A comparison of equation (5.8) and equation (12) makes it clear that the integration rule for the explicit Euler method according to the invention includes an operating-point-dependent gain ( E Δ t ƒ x | x i ) 1
Figure DE102011014767B4_0050
expanded and ultimately stabilized. This fact is explained in more detail by the following statements. For the representation of the new method linearized at the operating point x R from Equation (12), it follows analogously to the derivation of Equation (5.16): x i + 1 = [ I n + Δ t ( I n Δ t A ) 1 A ] x i .
Figure DE102011014767B4_0051

Im Vergleich zu Gleichung (5.16) ergibt sich die damit verbundene veränderte Systemmatrix zu A = ( I n Δ t A ) 1 A = ( E Δ t ƒ x | x R ) 1 ƒ x | x R .

Figure DE102011014767B4_0052
Compared to Equation (5.16), the associated modified system matrix results in A = ( I n Δ t A ) 1 A = ( E Δ t ƒ x | x R ) 1 ƒ x | x R .
Figure DE102011014767B4_0052

Diese durch die Verstärkung hervorgerufene Änderung der Systemmatrix stellt den Schlüssel zur stabilen numerischen Berechnung des Systems mit einer festen Abtastzeit dar. Zur Verdeutlichung wird die veränderte Systemmatrix aus Gleichung (15) im exemplarisch betrachteten Arbeitspunkt berechnet und ausgewertet. Mit den Werten aus Tabelle (a) ergibt sich A' zu A ' [ 36,14 26,62 52,36 63,44 ] .

Figure DE102011014767B4_0053
und die damit verbundenen Eigenwerte zu λ 1 = 89 ,54 1 S   λ 2 = 10,04 1 S .
Figure DE102011014767B4_0054
This change in the system matrix caused by the amplification represents the key to the stable numerical calculation of the system with a fixed sampling time. For clarification, the changed system matrix from equation (15) is calculated and evaluated in the working point considered as an example. With the values from table (a), A' results in: A ' [ 36:14 26.62 52.36 63.44 ] .
Figure DE102011014767B4_0053
and the associated eigenvalues λ 1 = 89 ,54 1 S λ 2 = 10.04 1 S .
Figure DE102011014767B4_0054

Ein Vergleich mit der Bedingung aus Gleichung (5.20) liefert den Stabilitätsbeweis.A comparison with the condition from equation (5.20) provides the proof of stability.

Im Folgenden wird nun die gemäß Gleichung (12) umzusetzende Berechnungsvorschrift für das vorliegende Anwendungsbeispiel zu Anschauungszwecken hergeleitet. Bezugnehmend auf das o. g. Anwendungsbeispiel mit den Differentialgleichungen (1) und (4) werden hier die vereinfachten Schreibweisen p ˙ 1 i = ƒ 1 ( p 1 i , p 2 i )

Figure DE102011014767B4_0055
und p ˙ 2 i = ƒ 2 ( p 1 i , p 2 i )
Figure DE102011014767B4_0056
eingeführt. Entsprechend der Rechenvorschrift aus Gleichung (12) folgt [ p 1 i i + 1 p 2 i i + 1 ] = [ p 1 i i p 2 i i ] + { [ 1 0 0 1 ] Δ t [ ƒ 1 p 1 i ƒ 1 p 2 i ƒ 2 p 1 i ƒ 2 p 2 i ] | p 1 i i p 2 i i } 1 [ ƒ 1 ( p 1 i i , p 2 i i ) ƒ 2 ( p 1 i i , p 2 i i ) ]
Figure DE102011014767B4_0057
The calculation rule to be implemented according to equation (12) for the present application example is now derived below for illustrative purposes. Referring to the above application example with the differential equations (1) and (4), the simplified notation is used here p ˙ 1 i = ƒ 1 ( p 1 i , p 2 i )
Figure DE102011014767B4_0055
and p ˙ 2 i = ƒ 2 ( p 1 i , p 2 i )
Figure DE102011014767B4_0056
introduced. According to the calculation rule from Equation (12). [ p 1 i i + 1 p 2 i i + 1 ] = [ p 1 i i p 2 i i ] + { [ 1 0 0 1 ] Δ t [ ƒ 1 p 1 i ƒ 1 p 2 i ƒ 2 p 1 i ƒ 2 p 2 i ] | p 1 i i p 2 i i } 1 [ ƒ 1 ( p 1 i i , p 2 i i ) ƒ 2 ( p 1 i i , p 2 i i ) ]
Figure DE102011014767B4_0057

Löst man die Matrixinversion in Gleichung (19), so folgt mit p 1 i i + 1 = p 1 i i + Δ t ( 1 Δ t ƒ 2 p 2 i | p 1 i i p 2 i i ) ƒ 1 ( p 1 i i , p 2 i i ) + Δ t ƒ 1 p 2 i | p 1 i i p 2 i i ƒ 2 ( p 1 i i , p 2 i i ) ( 1 Δ t ƒ 1 p 1 i | p 1 i i p 2 i i ) ( 1 Δ t ƒ 2 p 2 i | p 1 i i p 2 i i ) ( Δ t ƒ 1 p 2 i | p 1 i i p 2 i i ) ( Δ t ƒ 2 p 1 i | p 1 i i p 2 i i )

Figure DE102011014767B4_0058
und p 2 i i + 1 = p 2 i i + Δ t ( 1 Δ t ƒ 1 p 1 i | p 1 i i p 2 i i ) ƒ 2 ( p 1 i i , p 2 i i ) + Δ t ƒ 2 p 1 i | p 1 i i p 2 i i ƒ 1 ( p 1 i i , p 2 i i ) ( 1 Δ t ƒ 1 p 1 i | p 1 i i p 2 i i ) ( 1 Δ t ƒ 2 p 2 i | p 1 i i p 2 i i ) ( Δ t ƒ 1 p 2 i | p 1 i i p 2 i i ) ( Δ t ƒ 2 p 1 i | p 1 i i p 2 i i )
Figure DE102011014767B4_0059
die diskrete Berechnungsvorschrift als Grundlage für die echtzeitfähige Implementierung des Modells.If one solves the matrix inversion in equation (19), it follows with p 1 i i + 1 = p 1 i i + Δ t ( 1 Δ t ƒ 2 p 2 i | p 1 i i p 2 i i ) ƒ 1 ( p 1 i i , p 2 i i ) + Δ t ƒ 1 p 2 i | p 1 i i p 2 i i ƒ 2 ( p 1 i i , p 2 i i ) ( 1 Δ t ƒ 1 p 1 i | p 1 i i p 2 i i ) ( 1 Δ t ƒ 2 p 2 i | p 1 i i p 2 i i ) ( Δ t ƒ 1 p 2 i | p 1 i i p 2 i i ) ( Δ t ƒ 2 p 1 i | p 1 i i p 2 i i )
Figure DE102011014767B4_0058
and p 2 i i + 1 = p 2 i i + Δ t ( 1 Δ t ƒ 1 p 1 i | p 1 i i p 2 i i ) ƒ 2 ( p 1 i i , p 2 i i ) + Δ t ƒ 2 p 1 i | p 1 i i p 2 i i ƒ 1 ( p 1 i i , p 2 i i ) ( 1 Δ t ƒ 1 p 1 i | p 1 i i p 2 i i ) ( 1 Δ t ƒ 2 p 2 i | p 1 i i p 2 i i ) ( Δ t ƒ 1 p 2 i | p 1 i i p 2 i i ) ( Δ t ƒ 2 p 1 i | p 1 i i p 2 i i )
Figure DE102011014767B4_0059
the discrete calculation rule as the basis for the real-time capable implementation of the model.

An dieser Stelle macht die Lösung der Gleichung durch Invertierung der Matrix aus Gründen des Rechenaufwandes nur bedingt Sinn. Hier bietet sich u. a. eine Lösung des Gleichungssystems nach dem Gauß-Eleminationsverfahren an, wodurch sich die zu lösenden Gleichungen mit p 1 i i + 1 = p 1 i i + Δ t ƒ 1 ( p 1 i i , p 2 i i ) + ƒ 1 p 2 i | p 1 i i p 2 i i ( p 1 i i + 1 p 2 i i + 1 ) 1 Δ t ƒ 1 p 1 i | p 1 i i p 2 i i

Figure DE102011014767B4_0060
und p 2 i i + 1 = p 2 i i + Δ t ( 1 Δ t ƒ 1 p 1 i | p 1 i i p 2 i i ) ƒ 2 ( p 1 i i , p 2 i i ) + Δ t ƒ 2 p 1 i | p 1 i i p 2 i i ƒ 1 ( p 1 i i , p 2 i i ) ( 1 Δ t ƒ 1 p 1 i | p 1 i i p 2 i i ) ( 1 Δ t ƒ 2 p 2 i | p 1 i i p 2 i i ) ( Δ t ƒ 1 p 2 i | p 1 i i p 2 i i ) ( Δ t ƒ 2 p 1 i | p 1 i i p 2 i i )
Figure DE102011014767B4_0061
ergeben. Dabei wird zunächst das Ergebnis aus Gleichung (23) berechnet und anschließend in Gleichung (22) eingesetzt. Damit lässt sich ein Teil des Rechenaufwandes einsparen.At this point, solving the equation by inverting the matrix makes only limited sense for reasons of computational effort. Here, among other things, a solution of the system of equations according to the Gauss elimination method can be used, whereby the equations to be solved are p 1 i i + 1 = p 1 i i + Δ t ƒ 1 ( p 1 i i , p 2 i i ) + ƒ 1 p 2 i | p 1 i i p 2 i i ( p 1 i i + 1 p 2 i i + 1 ) 1 Δ t ƒ 1 p 1 i | p 1 i i p 2 i i
Figure DE102011014767B4_0060
and p 2 i i + 1 = p 2 i i + Δ t ( 1 Δ t ƒ 1 p 1 i | p 1 i i p 2 i i ) ƒ 2 ( p 1 i i , p 2 i i ) + Δ t ƒ 2 p 1 i | p 1 i i p 2 i i ƒ 1 ( p 1 i i , p 2 i i ) ( 1 Δ t ƒ 1 p 1 i | p 1 i i p 2 i i ) ( 1 Δ t ƒ 2 p 2 i | p 1 i i p 2 i i ) ( Δ t ƒ 1 p 2 i | p 1 i i p 2 i i ) ( Δ t ƒ 2 p 1 i | p 1 i i p 2 i i )
Figure DE102011014767B4_0061
result. First, the result from equation (23) is calculated and then used in equation (22). This saves part of the computational effort.

Um den Rechenaufwand weiter drastisch zu reduzieren ist darüber hinaus auch eine arbeitspunktabhängige offline-Berechnung der Verstärkungsmatrix möglich. Die vom Arbeitspunkt abhängige Matrix Γ ( x R ) = ( E Δ t ƒ x | x R ) 1 .

Figure DE102011014767B4_0062
wird dabei in Kennfeldern oder Kennlinien im Steuergerät abgelegt und zur Online-Berechnung herangezogen.In order to further drastically reduce the computing effort, an operating point-dependent offline calculation of the amplification matrix is also possible. The working point dependent matrix Γ ( x R ) = ( E Δ t ƒ x | x R ) 1 .
Figure DE102011014767B4_0062
is stored in characteristic diagrams or characteristic curves in the control unit and used for online calculation.

BezugszeichenlisteReference List

11
Behältercontainer
22
Behältercontainer
33
Drosselklappethrottle
44
Luftfilterair filter

Claims (5)

Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine, wobei ein zur Steuerung und Regelung der Verbrennungskraftmaschine dienendes Modell der Verbrennungskraftmaschine mittels des expliziten Euler-Verfahrens mit einer festen Schrittweite berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das explizite Euler-Verfahren mit Hilfe eines ergänzenden, arbeitspunktabhängigen Terms für die geforderte feste Schrittweite durch die Verschiebung der Eigenwerte der Systemmatrix stabilisiert wird.Method for operating an internal combustion engine, wherein a model of the internal combustion engine serving to control and regulate the internal combustion engine is calculated using the explicit Euler method with a fixed increment, characterized in that the explicit Euler method uses a supplementary, operating-point-dependent term for the required fixed step size is stabilized by shifting the eigenvalues of the system matrix. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Term ein Verstärkungsfaktor ist, so dass das zur Integration verwendete explizite Euler-Verfahren an das implizite Euler-Verfahren angenähert wird.procedure after Claim 1 , characterized in that the term is a gain factor such that the explicit Euler method used for integration is approximated to the implicit Euler method. Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von der Systemgleichung für das explizite Euler-Verfahren mit Hilfe der Taylor-Reihenentwicklung eine Näherungslösung ermittelt wird.procedure after patent claim 2 , characterized in that an approximate solution is determined based on the system equation for the explicit Euler method with the aid of the Taylor series expansion. Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Systemgleichung für das implizite Euler-Verfahren folgende Form aufweist x i + 1 = x i + Δ t ƒ ( x i + 1 )
Figure DE102011014767B4_0063
und die Taylor-Reihenentwicklung folgende Form aufweist ƒ ( x i + 1 ) ƒ ( x i ) + ƒ x | x i ( x i + 1 x i )
Figure DE102011014767B4_0064
und die Näherungslösung in folgender Form ermittelt wird x i + 1 = x i + Δ t ( E Δ t ƒ x | x i ) 1 ƒ ( x i ) ,
Figure DE102011014767B4_0065
wobei mit E die Einheitsmatrix und mit ƒ ( x ) x | x i = [ ƒ 1 x 1 ƒ 1 x n ƒ n x 1 ƒ n x n ] | x i
Figure DE102011014767B4_0066
die linearisierte Prozessdynamik beschrieben wird.
procedure after patent claim 2 , characterized in that the system equation for the implicit Euler method has the following form x i + 1 = x i + Δ t ƒ ( x i + 1 )
Figure DE102011014767B4_0063
and the Taylor series expansion has the following form ƒ ( x i + 1 ) ƒ ( x i ) + ƒ x | x i ( x i + 1 x i )
Figure DE102011014767B4_0064
and the approximate solution is found in the following form x i + 1 = x i + Δ t ( E Δ t ƒ x | x i ) 1 ƒ ( x i ) ,
Figure DE102011014767B4_0065
where with E the identity matrix and with ƒ ( x ) x | x i = [ ƒ 1 x 1 ƒ 1 x n ƒ n x 1 ƒ n x n ] | x i
Figure DE102011014767B4_0066
the linearized process dynamics is described.
Verfahren nach Patentanspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verstärkungsmatrix offline berechnet und in Form von arbeitspunktabhängigen Parametern im Motorsteuergerät hinterlegt wird.procedure after Claim 1 until 4 , characterized in that an amplification matrix is calculated offline and stored in the engine control unit in the form of operating-point-dependent parameters.
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