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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft Steuerungen für nicht-selbstzündende Verbrennungsmotoren, insbesondere Verfahren, um den Zündzeitpunkt in einem Motorsteuergerät zu bestimmen.
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Stand der Technik
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In Motorsteuergeräten für Verbrennungsmotoren, insbesondere nicht selbstzündende Verbrennungsmotoren, wie beispielsweise Ottomotoren, wird für eine Vielzahl von variablen Betriebsparametern des Verbrennungsmotors und Abhängig vom zu verbrennenden Kraftstoff ein bestmöglicher Zündzeitpunkt im Hinblick auf einen minimalen Kraftstoffverbrauch und Abgasemissionen und weiteren Kriterien bestimmt. Zu den variablen Eingangsgrößen zählen im Wesentlichen die Motordrehzahl und die Motorlast, die Ventilsteuerzeiten, die über verstellbare Nockenwellen beeinflussbar sind, Stellpositionen von Stellgebern zur Beeinflussung der Ladungsbewegung im Brennraum des Verbrennungsmotors und dergleichen.
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Der Zündzeitpunkt wird in Bezug auf den oberen Totpunkt des Kolbens im Zylinder des Verbrennungsmotors definiert. Er wird auch als Zündwinkel bezeichnet, da der Zeitpunkt in aller Regel in Grad Kurbelwinkel relativ zum oberen Totpunkt angegeben ist.
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Grundsätzlich führt ein früher Zündzeitpunkt zu einem thermodynamisch höheren Wirkungsgrad. Erfahrungsgemäß ist der Wirkungsgrad für einen Zündzeitpunkt am höchsten, welcher zu einer Verbrennungsschwerpunktlage zwischen 6°KW und 8°KW nach dem oberen Totpunkt des Kolbens führt. Ein darüber hinaus früherer Zündzeitpunkt führt in aller Regel jedoch wieder zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrads sowie einem Anstieg der Emissionen.
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Abhängig vom jeweiligen Betriebsbereich und den aktuellen Werten der Eingangsgrößen des Verbrennungsmotors liegt der bestmögliche Zündzeitpunkt unter Umständen in einem Bereich, in dem Klopfen des Verbrennungsmotors auftreten kann. Dies stellt eine Grenze für den Zündzeitpunkt in Richtung früh dar.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2010 028 266 A1 ist ein Steuergerät bekannt, bei dem während eines Betriebs des Fahrzeugs auf Basis von mindestens einer während des Betriebs ermittelten Eingangsgröße mindestens eine Ausgangsgröße für eine Steuerung von Funktionen des Fahrzeugs mithilfe von Kennfeldern berechnet wird. Das Steuergerät ist weiterhin dafür vorgesehen, die Berechnung der Ausgangsgrößen unter Verwendung einer Bayes'schen Regression von vor dem Betrieb für die Ausgangsgröße und die Eingangsgröße ermittelten Trainingswerten durchzuführen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zum Bereitstellen einer Zündzeitpunkts für einen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung, ein Motorsystem und ein Computerprogrammprodukt gemäß den nebengeordneten Ansprüchen vorgesehen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Bestimmen eines bestmöglichen Zündzeitpunktes zum Betreiben eines nicht selbstzündenden Verbrennungsmotors vorgesehen, wobei der Zündzeitpunkt mithilfe mindestens eines datenbasierten Modells abhängig von mehreren Eingangsgrößen ermittelt wird.
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Insbesondere kann das mindestens eine datenbasierte Modell ein datenbasiertes Zündwinkelmodell und/oder ein oder mehrere weitere datenbasierte Korrekturmodelle zum Korrigieren eines durch das Zündwinkelmodell des ermittelten Zündzeitpunkts umfassen.
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Die bisher verwendeten Motorsteuergeräte sehen zur Bestimmung des Zündzeitpunkts zum Einen eine kennfeldbasierte Struktur vor, die den Zündzeitpunkt (Zündwinkel) mithilfe der Drehzahl und der relativen Füllung in einem Kennfeld definiert, wobei jede weitere variable Eingangsgröße bzw. Motorparameter, wie beispielsweise eine Stellung einer Nockenwelle, die Anzahl dieser Kennfelder multiplikativ erhöht. So verdoppelt oder vervielfacht sich beispielsweise die Anzahl der Kennfelder für jede weitere Eingangsgröße (Motorparameter), die mit Extrempositionen der Verstellparameter bzw. weiteren Zwischenstützstellen bedatet ist. Kontinuierlich verstellbare Betriebsparameter erfordern eine Interpolation aus diesen Kennfeldausgängen, um Zwischenwerte zu erhalten.
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Zum Anderen findet eine restgasbasierten Struktur Anwendung, bei der der bestmögliche Zündzeitpunkt ebenfalls in einem Kennfeld mit Drehzahl und relativer Füllung abgebildet und die Abbildung weiterer Verstellparameter über eine Modellgröße erfolgt, die einen Restgasgehalt angibt.
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Nachteilig an der kennfeldbasierten Struktur ist, dass zwischen den Extrempositionen der Verstellparameter lediglich eine lineare Interpolation erfolgt. Dadurch ist die erzielbare Genauigkeit begrenzt, insbesondere dadurch, dass abhängig vom Betriebsbereich und den Eingangsgrößen unterschiedliche Kriterien für die Ermittlung des Zündzeitpunktes (Optimierungsziel), wie beispielsweise das thermodynamische Optimum, das Vermeiden von Klopfen des Verbrennungsmotors und dergleichen wirksam sind.
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Bei der restgasbasierten Struktur werden die Zwischenbereiche für den Betriebsbereich, der thermodynamisch optimal betrieben werden kann erfahrungsgemäß gut abgebildet, jedoch können die Betriebsbereiche, in denen das thermodynamische Optimum in einem Betriebsbereich liegt, in dem ein Klopfen auftritt, nur über eine begrenzt genaue Hilfsstruktur abgebildet werden.
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Das obige Verfahren sieht daher vor, ein datenbasiertes Zündwinkelmodell und/oder ein oder mehrere datenbasierte Korrekturmodelle zur Ermittlung des Zündzeitpunkts zur Verfügung zu stellen, das durch Berechnung einer Modellfunktion für jeden Betriebspunkt, Eingangsgrößen und Parameter zur Charakterisierung des Kraftstoffes den bestmöglichen Zündzeitpunkt ermittelt. Die Verwendung des datenbasierten Zündwinkelmodells bzw. des einen oder den mehreren datenbasierten Korrekturmodelle hat den Vorteil, dass keine Ungenauigkeiten aufgrund linearer Interpolationen zwischen Betriebspunkten und Eingangsgrößen auftreten und somit der Zündzeitpunkt genauer eingestellt werden kann. Dadurch kann der Zündzeitpunkt im Gegensatz zu den oben beschriebenen Ansätzen bestmöglich für jede Eingangsgrößen-(Betriebspunkt-) und Parameterkombination sowie unterschiedliche Kraftstoffe (z.B. Ethanolgehalt) dargestellt werden, was zu einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und/oder Steigerung der Motorleistung und/oder verbesserten Abgasemissionen führt.
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Das datenbasierte Zündwinkelmodell bzw. des einen oder den mehrere datenbasierten Korrekturmodellen können mindestens zwei der folgenden Eingangsgrößen verwenden: die Drehzahl des Verbrennungsmotors, die Motorlast (z.B. die relative Luftfüllung der Zylinder des Verbrennungsmotors), die Phasenstellung der Einlassnockenwelle des Verbrennungsmotors, die Phasenstellung der Auslassnockenwelle des Verbrennungsmotors, der Ventilhub der Einlass- oder der Auslassventile, die Position des Stellers zur Beeinflussung der Ladungsbewegung, die Position des Stellers zur Beeinflussung der Saugrohrgeometrie, einen Lambdawert zur Angabe eines Luft-Kraftstoffverhältnisses im Zylinder und einer Größe zur Charakterisierung des Kraftstoffes (z.B. Ethanolgehalt).
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass neben dem Zündwinkelmodell ein/mehrere weitere datenbasierte Korrekturmodelle zur Verfügung gestellt werden, die dazu dienen, um über die aus dem aktuellen Zündzeitpunkt resultierende Verbrennung Aufschluss zu geben. Diese Signale ermöglichen in weiterer Verarbeitung eine Optimierung des Zündzeitpunktes während des Motorbetriebs. Eingangssignale für diese Modelle können die gleichen sein wie im oben beschriebenen datenbasierten Zündwinkelmodell und können zusätzlich den Zündzeitpunkt als Variationsgröße enthalten.
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Gemäß einer Ausführungsform wird ein datenbasiertes Modell über die resultierende Verbrennungsschwerpunktlage zur Verfügung gestellt.
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Es kann vorgesehen sein, dass das eine oder die mehreren weiteren datenbasierten Korrekturmodelle als Eingangssignal zusätzlich den Zündzeitpunkt als Variationsgröße verwendet.
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Gemäß einer Ausführungsform können weitere datenbasierte Korrekturmodelle über weitere Kenngrößen wie Verbrennungsspitzendruck, Kenngrößen zur Charakterisierung der Laufruhe des Verbrennungsmotors und/oder die resultierenden Rohemissionen zur Verfügung gestellt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform werden diese Signale genutzt, um während des Betriebs zu entscheiden, ob der Zündzeitpunkt optimiert werden kann (Freigabebedingung) und diesen in Bezug auf den Kraftstoffverbrauch und Abgasemissionen zu optimieren. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass wenn der aus dem aktuellen Zündzeitpunkt resultierend Verbrennungsschwerpunkt später liegt als ein vorgegebener, für einen bestmöglichen Betrieb angenommener Verbrennungsschwerpunkt, ein Signal generiert wird, um eine Verstellung des Zündzeitpunkt in Richtung früh freizugeben und den Zündzeitpunkt bis an die Klopfgrenze zu führen.
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Insbesondere kann mit Hilfe einer oder mehrerer Modellgrößen aus dem einen oder den mehreren weiteren datenbasierten Korrekturmodellen der Zündzeitpunkt optimiert und/oder die Verstellung des Zündzeitpunktes in Richtung früh begrenzt werden, wobei die eine oder die mehreren Modellgrößen die Verbrennung in Abhängigkeit des aktuellen oder zukünftig ausgegebenen Zündzeitpunkts charakterisieren.
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Gemäß einer Ausführungsform kann alternativ ein datenbasiertes Modell zur Verfügung gestellt werden, das zur Definition des durch Klopfen begrenzten Bereichs dient. Dies kann ein logisches Signal (True/False) sein. Das Signal kann als Freigabe dienen, den Zündzeitpunkt während des Betriebs in Richtung früh bis an die Klopfgrenze zu führen.
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Eine Optimierung des Zündzeitpunktes während des Motorbetriebs hat den Vorteil, dass die motorindividuelle Klopfneigung, abhängig z.B. von Fertigungstoleranzen und/oder situationsabhängige Klopfneigung berücksichtigt werden kann, was zu einer weiteren Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und/oder einer Steigerung der Motorleistung führt.
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Es kann vorgesehen sein, dass das datenbasierte Zündwinkelmodell als Ausgangsgröße einen Zündzeitpunkt ausgibt, der verbrauchs- und emissionsoptimiert ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung, insbesondere ein Steuergerät, zum Bestimmen eines Zündzeitpunkts zum Betreiben eines nicht selbstzündenden Verbrennungsmotors vorgesehen, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um den Zündzeitpunkt mithilfe mindestens eines datenbasierten Funktionsmodells abhängig von mehreren Eingangsgrößen zu ermitteln.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Motorsystem mit einem Verbrennungsmotor und der obigen Vorrichtung vorgesehen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Computerprogrammprodukt vorgesehen, das einen Programmcode enthält, der, wenn er auf einer Datenverarbeitungseinrichtung ausgeführt wird, das obige Verfahren durchführt.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Motorsystems mit einem Motorsteuergerät; und
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2 ein Funktionsdiagramm zur Veranschaulichung des Verfahrens zum Bestimmen eines einzustellenden Zündwinkels.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt schematisch ein Motorsystem 1 mit einem Verbrennungsmotor 2 und einem Motorsteuergerät 3 zum Betreiben des Verbrennungsmotors 2. Der Verbrennungsmotor 2 ist als nicht selbstzündender Verbrennungsmotor, insbesondere als Ottomotor, ausgebildet und weist mehrere, im vorliegenden Ausführungsbeispiel vier, Zylinder 21 auf.
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Jeder der Zylinder 21 ist mit mindestens einem Einlassventil 22 und mindestens einem Auslassventil 23 versehen, um die für eine Verbrennung in einem Brennraum des betreffenden Zylinders 21 benötigte Luft einzulassen und Verbrennungsabgase aus dem Brennraum auszustoßen.
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Weiterhin ist eine Zündeinrichtung für jeden Zylinder 21 vorgesehen, um eine Zündung eines im Brennraum des betreffenden Zylinders 21 befindlichen Kraftstoff-/Luftgemischs auszulösen und dadurch ein Teilantriebsmoment auf eine Kurbelwelle 25 aufzubringen. An der Kurbelwelle 25 oder mit dieser gekoppelt ist ein Drehzahlsensor 26 angeordnet, der eine Drehzahl des Verbrennungsmotors 2 erfasst.
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Gekoppelt mit der Kurbelwelle 25 sind eine Einlassnockenwelle und eine Auslassnockenwelle (nicht gezeigt), die mit jeweiligen Phasenstellern versehen sind, um einen Öffnungs- und Schließzeitpunkt der Einlassventile und einen Öffnungs- und Schließzeitpunkt der Auslassventile festzulegen.
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Das Motorsteuergerät 3 dient dazu, den Verbrennungsmotor 2 gemäß einer externen Vorgabegröße V so zu betreiben, dass über die Kurbelwelle 25 ein gewünschtes Antriebsmoment bereitgestellt wird. Neben weiteren diversen Stellgrößen hat das Motorsteuergerät 3 auch die Aufgabe, den Zündzeitpunkt der Zündeinrichtung 24 vorzugeben.
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Der Zündzeitpunkt wird relativ zum Zeitpunkt eines oberen Totpunkts der Bewegung eines Kolbens in dem betreffenden Zylinder 21 definiert und üblicherweise in Winkelgrad der Kurbelwelle 25 bezogen auf den oberen Totpunkt des betreffenden Zylinders 21 angegeben.
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Zur Bestimmung des für die Zündung der jeweiligen Zündeinrichtung 24 vorzugebenden Zündzeitpunkts (Zündwinkels) ist in dem Motorsteuergerät 3 software- oder hardwaremäßig eine Funktionsstruktur vorgegeben, die auf einem datenbasierten Zündwinkelmodell basiert.
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Datenbasierte Funktionsmodelle sehen im Gegensatz zu kennfeldbasierten Modellen eine funktionale Beziehung von Eingangsgrößen zu einer Ausgangsgröße vor. Die Verwendung von nicht parametrischen, datenbasierten Funktionsmodellen basiert auf einem Bayes-Regressionsverfahren. Die Grundlagen der Bayes-Regression sind beispielsweise in C. E. Rasmusen et al., „Gaussian Processes for Machine Learning", MIT Press 2006, beschrieben. Die Bayes-Regression ist ein datenbasiertes Verfahren, das auf einem Modell basiert.
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Zur Ermittlung der funktionalen Beziehung werden in einem Trainingslauf bestimmte Betriebspunkte eines Musterverbrennungsmotors eingestellt. Zur Erstellung des Modells sind Messpunkte von Trainingsdaten sowie zugehörige Ausgangsdaten einer Ausgangsgröße erforderlich. Das Modell wird erstellt, indem Stützstellendaten, die den Trainingsdaten ganz oder teilweise entsprechen oder aus diesen generiert werden, verwendet werden. Weiterhin werden abstrakte Hyperparameter bestimmt, die den Raum der Modellfunktionen parametrisieren und effektiv den Einfluss der einzelnen Messpunkte der Trainingsdaten auf die spätere Modellvorhersage gewichten.
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Die abstrakten Hyperparameter werden durch ein geeignetes mathematisches Näherungs- bzw. Optimierungsverfahren bestimmt. Die Funktionsbeziehungen sind in der Regel nichtlinear. Gemäß einem Optimierungsziel kann eine optimierte Ausgangsgröße ermittelt werden. So kann beispielsweise der verbrauchs- und emissionsoptimale Zündzeitpunkt durch Abfahren eines Zündwinkelbereichs ermittelt werden. Eine Möglichkeit für ein solches Optimierungsverfahren besteht in einer Optimierung einer Marginal Likelihood p(Y|H, X). Die Marginal Likelihood p(Y|H, X) beschreibt die Plausibilität der gemessenen y-Werte der Trainingsdaten dargestellt als Vektor Y gegeben die Modellparameter H und die x-Werte der Trainingsdaten. Im Modelltraining wird p(Y|H, X) maximiert, indem geeignete Hyperparameter gesucht werden, mit denen die Daten besonders gut erklärt werden können. Zur Vereinfachung der Berechnung wird der Logarithmus von p(Y|H, X) maximiert, da der Logarithmus die Stetigkeit der Plausibilitätsfunktion nicht verändert.
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Das Optimierungsverfahren sorgt dabei automatisch für einen Trade-off zwischen Modellkomplexität und Abbildungsgenauigkeit des Modells. Zwar kann mit steigender Modellkomplexität eine beliebig hohe Abbildungsgenauigkeit der Trainingsdaten erreicht werden, dies kann jedoch gleichzeitig zu einer Überanpassung des Modells an die Trainingsdaten und damit zu einer schlechteren Generalisierungseigenschaft führen.
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Das datenbasierte Zündwinkelmodell 11, wie es in dem Funktionsschaubild der 2 dargestellt ist, ist Teil eines Funktionsmodellblocks 10 und kann als Eingangsgrößen die Drehzahl n eine Größe zur Angabe einer Motorlast (z.B. die relative Zylinderfüllung rl, die eine Luftfüllung der Zylinder 21 angibt), sowie Parameter von Verstellelementen V1–Vn, wie beispielsweise die Phasenstellung V1 einer Einlassnockenwelle, die Phasenstellung V2 einer Auslassnockenwelle, einen Lambdawert V3 oder sonstige Eingangsgrößen, wie beispielsweise Stellpositionen von diversen Stellgebern im Motorsystem 1 oder eine Größe zur Charakterisierung des Kraftstoffes aufweisen.
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Das Kraftstoff-/Luftverhältnisses Lambda (λ) kann ebenfalls Eingangsgröße des datenbasierten Zündwinkelmodells sein, jedoch kann der Einfluss alternativ auch über eine konventionelle Kennlinien-/Kennfeldstruktur abgebildet werden. Gleiches gilt für die Temperatur und Umgebungseinflüsse wie beispielsweise Motortemperatureinfluss und Ansaugtemperatureinfluss. Das datenbasierte Modell gibt entsprechend den Eingangsgrößen dem Zündwinkelmodell entsprechende Zündwinkel zw als Ausgangsgröße aus.
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Weiterhin kann das datenbasierte Zündwinkelmodell mit weiteren datenbasierten Korrekturmodellen 12 des Funktionsmodellblocks 10 kombiniert werden, die als Ausgabesignal FS Informationen über die aktuelle bzw. eine zukünftige (z.B. sich bei Regeleingriff einstellende Verbrennung) Aufschluss geben. Zu diesen Ausgabesignalen können zählen z.B. eine Angabe über eine Schwerpunktlage der Verbrennung (MFB 50%) des Verbrennungsmotors 2, ein Angabe, ob potentiell eine klopfende Verbrennung auftreten kann, ein Spitzendruckangabe der Verbrennung des Verbrennungsmotors 2, Rohemissionswerte des Verbrennungsmotors 2 und weitere. Die Angabe, ob potentiell eine klopfende Verbrennung des Verbrennungsmotors 2 auftritt, stellt eine Angabe dar, die den Bereich der klopfenden Verbrennung und den Bereich der sicher nicht klopfenden Verbrennung voneinander abgrenzt.
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In einer Regelungseinheit 13 werden die Ausgabesignale FS mit einem Stellsignal KS einer Klopfregelung 14 verarbeitet, um ein Korrektursignal KO zu erhalten. Die Regelungseinheit 13 kann eine Regelstruktur umfassen sowie eine Adaption. Der aus dem datenbasierten Zündwinkelmodell 11 ausgegebene Zündwinkel ZW wird so durch additive Beaufschlagung in einem Summationsglied 16 mit einem Korrekturwert des Korrektursignals KO korrigiert, so dass sich der tatsächliche Zündwinkel ZWfinal nahe an der individuellen Klopfgrenze befindet, wirkungsgradoptimal und optimal bezüglich Rohemissionswerten ist sowie keine motorischen Grenzwerte überschreitet (wie z.B. den Verbrennungsspitzendruck des Verbrennungsmotors 2). Anstelle einer additiven Beaufschlagung ist auch eine multiplikative Beaufschlagung denkbar.
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Die Klopfregelung 14 basiert auf einem Sensorwert eines akustischen Klopfsensors 15.
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Die Regelungseinheit 13 kann dabei spezifizierte Grenzwerte wie z.B. den Verbrennungsspitzendruck des Verbrennungsmotors 2 und die Zielwerte für einen wirkungsgradoptimalen Betrieb (z.B. die optimale Schwerpunktlage der Verbrennung) enthalten und benutzt die Signale der Klopfregelung als Information inwieweit eine Frühverstellung des Zündwinkels ZW möglich ist, d.h. wann die situationsabhängige aktuelle Klopfgrenze des Verbrennungsmotors 2 erreicht ist. Eingangsgröße für die Regelstruktur der Regelungseinheit 13 können auch prädizierte Werte über eine zukünftige Verbrennung sein (z.B. inwieweit sich die Schwerpunktlage bei Verstellung des Zündzeitpunkts ändern wird). Dazu können die datenbasierten Modelle nicht nur bei aktuellem Zündwinkel abgefragt werden sondern auch bei dem zukünftig einzustellenden Zündwinkel.
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Die Regelwerte aus der Regelungseinheit 13 können als Basis für eine langfristige Adaption des Zündwinkelmodells genutzt werden.
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Im Gegensatz zu den bekannten Ansätzen kann somit die Freigabe der Adaption nicht nur über einen drehzahl- und lastabhängigen Bereich, sondern über alle Parameterkombinationen exakt dargestellt werden.
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Eingangsgrößen für die Regelungseinheit 13 können auch Umgebungseinflüsse sein, die auf die Klopfneigung des Verbrennungsmotors 2 Einfluss haben, wie z.B. Ansaugtemperatur, Motortemperatur oder Öltemperatur sowie das Luft-Kraftstoffverhältnisse im Zylinder Lambda (λ) sein.
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Mit der Möglichkeit der Unterscheidung potentiell klopfender Betriebsbereiche können diese jeweiligen Einflüsse auch nur für diese die klopfende Verbrennung charakterisierten Bereiche berücksichtigt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010028266 A1 [0006]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- C. E. Rasmusen et al., „Gaussian Processes for Machine Learning“, MIT Press 2006 [0039]
