DE102015212709A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, Steuereinrichtung für eine Brennkraftmaschine und Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, Steuereinrichtung für eine Brennkraftmaschine und Brennkraftmaschine Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1), wobei wenigstens ein Steuermodul erster Ordnung (5) Vorgabewerte (11, 13) für wenigstens ein Steuermodul zweiter Ordnung (7, 9) berechnet, wobei die Vorgabewerte (11, 13) durch das wenigstens eine Steuermodul zweiter Ordnung (7, 9) zur Steuerung und/oder Regelung der Brennkraftmaschine (1) verwendet werden, wobei eine Separation von Berechnungsschritten derart durchgeführt wird, dass durch das wenigstens eine Steuermodul erster Ordnung (5) eine statische Berechnung von wenigstens einem ersten Prozess der Brennkraftmaschine (1) durchgeführt wird, wobei durch das wenigstens eine Steuermodul zweiter Ordnung (7, 9) eine dynamische Berechnung von wenigstens einem zweiten Prozess der Brennkraftmaschine (1) durchgeführt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, ein Steuergerät für eine Brennkraftmaschine und eine Brennkraftmaschine.
  • Systeme zur Regelung oder Steuerung des Betriebs von Brennkraftmaschinen weisen in der Regel verschiedene Funktionsmodule auf, wobei ein Betrieb des Gesamtsystems über ein elektronisches Motor-Management geführt wird. Dabei ist es möglich, dass Komponenten durch einzelne Regler separat geregelt werden. Abhängigkeiten zwischen den einzelnen Komponenten, Funktionen zum Schutz der Komponenten und komponentenübergreifende Funktionen sind wenig transparent in aufwendigen Kennfeld-Strukturen, insbesondere mit einer Vielzahl von Korrekturkennfeldern für bestimmte Umwelt- und/oder Umgebungsbedingungen sowie Betriebspunkte abgebildet. Konzepte für modellbasierte, komponentenübergreifende Regelungsstrategien sind dagegen kaum auf Standard-Steuergeräten für Brennkraftmaschinen umsetzbar. Aufgrund der Komplexität solcher Modelle ergeben sich nämlich Rechenanforderungen, insbesondere in Hinblick auf eine dynamische Optimierung des Betriebs der Brennkraftmaschine, die durch Standard-Steuergeräte nicht in Echtzeit bewältigt werden können.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, eine Steuereinrichtung für eine Brennkraftmaschine, sowie eine Brennkraftmaschine zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.
  • Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung.
  • Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine geschaffen wird, bei welchem wenigstens ein Steuermodul erster Ordnung Vorgabewerte für wenigstens ein – insbesondere dem Steuermodul erster Ordnung untergeordnetes – Steuermodul zweiter Ordnung – vorzugsweise mittels einer modellbasierten Berechnung, insbesondere Optimierung – berechnet, wobei die Vorgabewerte durch das wenigstens eine Steuermodul zweiter Ordnung zur Steuerung und/oder Regelung von wenigstens einer Funktion, beispielsweise einer Eindosierung von Brennstoff oder einem Ladepfad, der Brennkraftmaschine verwendet werden, wobei eine Separation von Berechnungsschritten derart durchgeführt wird, dass durch das wenigstens eine Steuermodul erster Ordnung eine statische Berechnung, insbesondere Optimierung, von wenigstens einem ersten Prozess der Brennkraftmaschine durchgeführt wird, wobei durch das wenigstens eine Steuermodul zweiter Ordnung eine dynamische Berechnung von wenigstens einem zweiten Prozess der Brennkraftmaschine durchgeführt wird. Die Aufteilung der Berechnungsschritte auf die Steuermodule erster und zweiter Ordnung erlaubt eine schnellere und weniger rechenintensive Durchführung der nötigen Rechenschritte zum Betreiben der Brennkraftmaschine, insbesondere weil wenigstens ein hierfür geeigneter, erster Prozess statisch und somit explizit ohne Zeitabhängigkeit betrachtet werden kann. Somit kann die mathematisch aufwendige, dynamische Berechnung oder Optimierung des Betriebs der Brennkraftmaschine auf ein statisches Optimierungsproblem für das wenigstens eine Steuermodul erster Ordnung zurückgeführt werden, das deutlich einfacher zu lösen ist. Das dynamische Verhalten der Brennkraftmaschine wird dabei nicht vernachlässigt, sondern durch das wenigstens eine Steuermodul zweiter Ordnung berücksichtigt, wobei erst die Aufteilung der verschiedenen Prozesse auf die verschiedenen Steuermodule es ermöglicht, solche Prozesse, die explizit ohne Zeitabhängigkeit mit hinreichender Genauigkeit berechnet werden können oder die keine Zeitabhängigkeit aufweisen, statisch zu berechnen, wobei die Dynamik des Systems durch das wenigstens eine Steuermodul zweiter Ordnung nur für solche Prozesse berücksichtigt wird, bei denen dies vom Rechenaufwand her möglich und/oder nötig ist. Insgesamt kann so ein erheblicher Teil des Rechenaufwands für eine modellbasierte Berechnung, insbesondere Optimierung, des Betriebs der Brennkraftmaschine eingespart werden, sodass das Verfahren auf einem Standard-Steuergerät für eine Brennkraftmaschine in Echtzeit durchgeführt werden kann. Da die statische Berechnung in dem wenigstens einen Steuermodul erster Ordnung modellbasiert erfolgt, bedarf es keiner Vielzahl intransparenter und wenig verständlicher Kennfelder, insbesondere keiner Vielzahl von Korrekturkennfeldern zur Berücksichtigung von Umwelt- und/oder Umgebungsbedingungen, oder für eine detaillierte Berücksichtigung einer Vielzahl von Betriebspunkten der Brennkraftmaschine.
  • Unter einem „Steuermodul“ wird hier und im Folgenden eine abgegrenzte oder abgrenzbare Steuerstruktur verstanden, welche Eingaben empfangen und Ausgaben – vorzugsweise nach deren Berechnung in Abhängigkeit von den Eingaben – ausgeben kann. Vorzugsweise weist eine solche Steuerstruktur Schnittstellen in Form von definierten Eingangsgrößen und definierten Ausgabegrößen auf. Bei einem solchen Steuermodul kann es sich um ein eigenständiges Steuergerät, insbesondere mit definierten Schnittstellen, handeln. Es ist aber auch möglich, dass ein solches Steuermodul eine modulare Struktur eines übergeordneten Steuergeräts, insbesondere ein Software- oder Hardwaremodul eines solchen Steuergeräts, darstellt.
  • Bevorzugt berechnet das wenigstens eine Steuermodul erster Ordnung Sollwerte für Stellgrößen als Vorgabewerte für das wenigstens eine Steuermodul zweiter Ordnung. Das wenigstens eine Steuermodul zweiter Ordnung steuert oder regelt vorzugsweise wenigstens eine Stellgröße der Brennkraftmaschine anhand der durch das Steuermodul erster Ordnung berechneten Vorgabewerte, insbesondere anhand von Sollwerten für die Stellgröße. Besonders bevorzugt ist das wenigstens eine Steuermodul zweiter Ordnung als Regler ausgebildet oder weist die Funktion eines Reglers auf. Eine dynamische Berechnung von wenigstens einem zweiten Prozess der Brennkraftmaschine wird dann durch das Steuermodul zweiter Ordnung insbesondere insoweit durchgeführt, als dieses eine Regelung für eine Stellgröße der Brennkraftmaschine anhand eines von dem Steuermodul erster Ordnung vorgegebenen Vorgabewerts – insbesondere auf einen vorgegebenen Sollwert – durchführt. Alternativ oder zusätzlich führt das Steuermodul zweiter Ordnung vorzugsweise eine Prädiktion einer zeitlichen Entwicklung des Betriebs der Brennkraftmaschine – insbesondere für einen nächsten Rechenschritt oder Rechenzyklus in dem ersten Steuermodul – durch, wobei es aus dieser Prädiktion insbesondere Begrenzungen für die Vorgabewerte des Steuermoduls erster Ordnung erhält. Dabei kann es sich um im Betrieb der Brennkraftmaschine insbesondere aus physikalischen Gründen auftretende Stellerbegrenzungen, beispielsweise Klappenanschläge, um auftretende Fehler, die insbesondere durch Diagnose- und/oder Überwachungsfunktionen ermittelt werden, oder um prinzipielle, physikalische Begrenzungen handeln. Diese Begrenzungen übermittelt das Steuermodul zweiter Ordnung vorzugsweise an das Steuermodul erster Ordnung, welches die Begrenzungen bei der Berechnung der Vorgabewerte berücksichtigt.
  • Als Steuermodul zweiter Ordnung wird bevorzugt eine Komponente mit eigenem, unterlagertem Regelkreis verwendet. Das Steuermodul erster Ordnung generiert Sollwerte für diese unterlagerte Komponente in Abhängigkeit von der aktuellen Betriebssituation der Brennkraftmaschine und von auftretenden Begrenzungen. Durch den unterlagerten Regelkreis werden diese Sollwerte eingeregelt, insbesondere unter Berücksichtigung des dynamischen Verhaltens der jeweiligen Komponente – vorzugsweise durch den Regelmechanismus und/oder durch die Prädiktion.
  • Dass die Vorgabewerte durch das wenigstens eine Steuermodul zweiter Ordnung zur Steuerung und/oder Regelung von wenigstens einer Funktion der Brennkraftmaschine verwendet werden, spricht insbesondere an, dass die Vorgabewerte in Stellwerte zur Ansteuerung von wenigstens einem Stellorgan der Brennkraftmaschine umgesetzt werden. Berechnet beispielsweise das Steuermodul erster Ordnung einen Vorgabewert für einen Ladedruck, kann dieser Vorgabewert durch das Steuermodul zweiter Ordnung umgesetzt werden in eine Klappenposition für eine Drosselklappe, welche dann durch das Steuermodul zweiter Ordnung angesteuert wird.
  • Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass durch das wenigstens eine Steuermodul erster Ordnung eine statische Berechnung, insbesondere Optimierung, eines ersten Prozesses der Brennkraftmaschine durchgeführt wird, wobei der erste Prozess auf einer ersten, kleineren Zeitskala abläuft, wobei durch das wenigstens eine Steuermodul zweiter Ordnung eine dynamische Berechnung von wenigstens einem zweiten Prozess der Brennkraftmaschine durchgeführt wird, der auf einer zweiten, größeren Zeitskala abläuft. Die Aufteilung verschiedener Prozesse auf eine statische Berechnung einerseits und eine dynamische Berechnung andererseits erfolgt also insbesondere anhand einer Zeitskalenseparation. Dabei kann ein Prozess, der auf einer kleineren Zeitskala, insbesondere sehr schnell, abläuft, statisch behandelt werden, ohne dass deswegen eine relevante Genauigkeit und Präzision zur Steuerung der Brennkraftmaschine verloren geht. Insbesondere für im Betrieb der Brennkraftmaschine quasi-instantane Prozesse bedarf es keiner explizit zeitabhängigen Berechnung, um eine hinreichende Rechengenauigkeit zu erzielen. Solche Prozesse können vielmehr auf der Grundlage eines statischen Modells berechnet werden. Prozesse, die auf einer größeren Zeitskala ablaufen, können dagegen ohne zu hohen Rechenaufwand auch dynamisch berechnet werden, insbesondere durch eine explizit zeitabhängige Regelung und/oder eine Prädiktion eines Verhaltens der Brennkraftmaschine, insbesondere zur Ermittlung von Begrenzungen.
  • Vorzugsweise unterscheiden sich die erste, kleinere Zeitskala und die zweite, größere Zeitskala um wenigstens zwei Größenordnungen. Besonders bevorzugt betrifft die erste, kleinere Zeitskala Prozesse, die innerhalb von mindestens 1 Millisekunde bis höchstens 50 Millisekunden, insbesondere von ungefähr 30 Millisekunden ablaufen. Die zweite, größere Zeitskala betrifft insbesondere Prozesse, die innerhalb von mindestens 1 Sekunde bis höchstens einigen Minuten, insbesondere bis höchstens 1 Minute, oder auch bis höchstens 3 Sekunden, ablaufen. Selbstverständlich können auch noch langsamere Prozesse ohne weiteres und insbesondere ohne erheblichen Rechenaufwand dynamisch betrachtet werden. Wesentlich ist, dass die dynamische Betrachtung von Prozessen der Brennkraftmaschine beschränkt wird auf vergleichsweise langsame Prozesse, wobei im Übrigen für schnelle und insbesondere quasi-instantane Prozesse auf eine Betrachtung der expliziten Zeitabhängigkeit verzichtet und diese vielmehr statisch berechnet werden. Dadurch ist es möglich, in großem Umfang Rechenaufwand und Rechenzeit einzusparen, was überhaupt erst eine entsprechende modellbasierte Berechnung und Steuerung des Betriebs einer Brennkraftmaschine in Echtzeit auf einem Standard-Steuergerät erlaubt.
  • Es wird insbesondere eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass das wenigstens eine Steuermodul erster Ordnung eine modellbasierte, statische Berechnung, insbesondere Optimierung, eines Verbrennungsprozesses der Brennkraftmaschine durchführt. Dabei eignet sich der Verbrennungsprozess, der insbesondere in wenigstens einem Brennraum der Brennkraftmaschine stattfindet, besonders für eine statische Berechnung, weil er auf einer Zeitskala abläuft, die viel kleiner, insbesondere zumindest zwei Größenordnungen kleiner ist, als eine Zeitskala, auf der andere für den Betrieb der Brennkraftmaschine relevante Prozesse ablaufen. Insbesondere erfolgt die Verbrennung in dem wenigstens einen Brennraum typischerweise innerhalb von wenigen zig Millisekunden, insbesondere innerhalb von ungefähr 30 Millisekunden. Sie kann daher als statischer Prozess in Abhängigkeit von Eingangsgrößen für den Brennraum, insbesondere für einen Zylinder einer als Hubkolbenmotor ausgebildeten Brennkraftmaschine, modelliert werden. Dieses Vorgehen ist dadurch gerechtfertigt, dass der Verbrennungsprozess an sich in Abhängigkeit von Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine, insbesondere von den Eingangsgrößen des Brennraums, statisch ist. Es ist bevorzugt ein mathematisches Modell des Verbrennungsprozesses in das Steuermodul erster Ordnung implementiert, welches abhängig von wenigstens einer Eingangsgröße statisch, das heißt zeitunabhängig, wenigstens eine Ausgangsgröße berechnet. Vorzugsweise gibt das Modell als Ausgangsgröße wenigstens einen Vorgabewert für das wenigstens eine Steuermodul zweiter Ordnung als Ergebnis zurück. Bei der statischen Betrachtung des Verbrennungsprozesses handelt es sich insbesondere nicht um eine Vereinfachung, sondern um ein Vorgehen, welches physikalisch gerechtfertigt ist. Dabei geben die Bedingungen am Ein- und Auslass eines Brennraums sowie die zugeführte Brennstoffmenge die Eigenschaften der Verbrennung vor. Diese Größen selbst werden dynamisch betrachtet, die Verbrennung ist allerdings in Abhängigkeit von diesen Größen ein statischer Prozeß.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Steuermodul erster Ordnung als Vorgabewert wenigstens einen Sollwert berechnet, der ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus einem Brennstoffdruck, insbesondere einem Druck in einem gemeinsamen Hochdruckspeicher, der zur Eindüsung von Brennstoff in eine Mehrzahl von Brennräumen vorgesehen ist, und der auch als Raildruck bezeichnet wird, einem Einspritzbeginn, einer Einspritzdauer, einem Zündzeitpunkt, einer in einen Brennraum oder einen Ladepfad einzubringenden Brennstoffmasse oder -menge, einem Ladedruck, und einem Verbrennungsluft-Brennstoff-Verhältnis, das auch als Lambda-Wert bezeichnet wird. Bevorzugt wird durch das Steuermodul erster Ordnung eine Mehrzahl dieser Sollwerte berechnet. Es ist auch möglich, dass alle genannten Sollwerte durch das Steuermodul erster Ordnung berechnet werden. Der wenigstens eine Sollwert wird als Vorgabewert an das wenigstens eine Steuermodul zweiter Ordnung übergeben, welches diesen dann insbesondere durch Ansteuerung eines Stellers der Brennkraftmaschine – insbesondere unter Berücksichtigung des dynamischen Verhaltens der zu regelnden Komponente – einregelt. Die hier genannten Sollwerte können ohne weiteres mittels einer modellbasierten, statischen Berechnung berechnet werden, wobei jeder dieser Sollwerte zur Ansteuerung der Brennkraftmaschine geeignet ist.
  • Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass das wenigstens eine Steuermodul zweiter Ordnung ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus einem Steuermodul zur Regelung einer Eindosierung von Brennstoff und einem Steuermodul zur Steuerung oder Regelung eines Ladepfades. Hierbei handelt es sich um Steuermodule zur Steuerung oder Regelung von Komponenten, über welche unmittelbar der Betrieb der Brennkraftmaschine eingestellt werden kann. Die in diesen Modulen ablaufenden Prozesse laufen auf Zeitskalen ab, die sehr viel größer sind, insbesondere um mindestens zwei Größenordnungen, als die Zeitskala des Verbrennungsprozesses. Beispielsweise laufen Einstellprozesse in dem Ladepfad typischerweise auf einer Zeitskala von wenigen Sekunden, insbesondere von mindestens 1 Sekunde bis höchstens 3 Sekunden, ab. Vorzugsweise sind mehr als ein Steuermodul zweiter Ordnung vorgesehen, besonders bevorzugt mindestens zwei oder genau zwei Steuermodule zweiter Ordnung, nämlich insbesondere ein Steuermodul zur Regelung einer Eindosierung von Brennstoff sowie ein Steuermodul zur Steuerung oder Regelung eines Ladepfads.
  • Unter dem Begriff „Ladepfad“ wird hier allgemein eine Leitung oder ein Leitungssystem verstanden, über welche/welches einem Brennraum der Brennkraftmaschine Verbrennungsluft oder ein Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch zuführbar ist. Der Begriff „Eindosierung“ bezeichnet hier und im Folgenden generell ein Einbringen von Brennstoff in den Ladepfad oder in einen Brennraum, insbesondere entweder direkt mittels Direkteinspritzung oder mittels eines Vergasers, einer Einzelpunkteinspritzung oder einer Mehrpunkteinspritzung.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass wenigstens ein Steuermodul zweiter Ordnung als Steuermodul zur Regelung eines Gaspfads verwendet wird, wobei das Steuermodul insbesondere einen Ladedruck und einen Lambda-Wert regelt. Dabei ist es möglich, dass das Steuermodul eine Drosselklappe und/oder einen Verdichter ansteuert.
  • Es ist auch möglich, dass wenigstens ein Steuermodul zweiter Ordnung zur Regelung eines Ladedrucks und eines Drucks stromaufwärts einer Drosselklappe verwendet wird. Dabei steuert das Steuermodul zweiter Ordnung vorzugsweise die Drosselklappe und/oder einen Verdichter an.
  • Der Verdichter kann hierbei insbesondere Teil eines Abgasturboladers oder eines Kompressors sein.
  • Alternativ oder zusätzlich ist bevorzugt wenigstens ein Steuermodul zweiter Ordnung vorgesehen, welches eine Einspritzung steuert oder regelt, wobei das Steuermodul insbesondere zur Steuerung oder Regelung eines Raildrucks, eines Spritzbeginns, und/oder einer Bestromungsdauer für einen Injektor eingerichtet ist.
  • Es ist auch möglich, dass das Steuermodul zweiter Ordnung zur Steuerung oder Regelung einer Gaseindüsung bei einem Gasmotor vorgesehen ist, wobei es vorzugsweise zur Gasdruckregelung, zur Regelung eines Zündzeitpunkts, und/oder zur Regelung einer Bestromungsdauer einer Gaseindüseinrichtung verwendet wird.
  • Es ist auch möglich, dass wenigstens ein Steuermodul zweiter Ordnung eingerichtet ist zur Regelung einer Einspritzung bei einer Brennkraftmaschine, die als Zweistoffmotor ausgebildet ist. Dabei ist das Steuermodul zweiter Ordnung vorzugsweise eingerichtet zur Regelung eines ersten Raildrucks für einen ersten Brennstoff, zur Regelung eines zweiten Raildrucks für einen zweiten Brennstoff, zur Regelung wenigstens eines Spritzbeginns für wenigstens einen der Brennstoffe, vorzugsweise für je einen Spritzbeginn für beide Brennstoffe, zur Regelung einer Bestromungsdauer für wenigstens einen der Brennstoffe, insbesondere zur Regelung einer Bestromungsdauer für beide Brennstoffe, und/oder zur Regelung einer eingespritzten Brennstoffmenge für wenigstens einen der Brennstoffe, vorzugsweise für beide Brennstoffe.
  • Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, bei welchem ein erstes Steuermodul zweiter Ordnung zur Regelung eines Gaspfads verwendet wird, insbesondere zur Regelung eines Ladedrucks und eines Lambdawerts, wobei ein zweites Steuermodul zweiter Ordnung zur Regelung einer Einspritzung, insbesondere zur Regelung eines Raildrucks, eines Spritzbeginns, einer Bestromungsdauer und/oder einer eingespritzten Brennstoffmenge, verwendet wird.
  • Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, bei welcher ein erstes Steuermodul zweiter Ordnung zur Regelung eines Ladepfads, insbesondere zur Regelung eines Ladedrucks sowie eines Drucks stromaufwärts einer Drosselklappe, verwendet wird, wobei ein zweites Steuermodul zweiter Ordnung zur Regelung einer Eindüsung von Brenngas, insbesondere zur Regelung eines Gasdrucks, eines Zündzeitpunkts, einer Bestromungsdauer und/oder einer eingedüsten Brenngasmenge, verwendet wird.
  • Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass ein erstes Steuermodul zweiter Ordnung zur Regelung eines Gaspfads, insbesondere eines Ladedrucks und/oder eines Lambda-Werts verwendet wird, wobei ein zweites Steuermodul zweiter Ordnung zur Regelung einer Einspritzung von zwei Brennstoffen verwendet wird, insbesondere zur Regelung eines ersten Raildrucks für einen ersten Brennstoff und/oder eines zweiten Raildrucks für einen zweiten Brennstoff, zur Regelung eines Spritzbeginns für wenigstens einen der Brennstoffe, insbesondere für beide Brennstoffe, zur Regelung einer Bestromungsdauer für wenigstens ein Brennstoff, vorzugsweise für beide Brennstoffe, und/oder zur Regelung einer eingespritzten Brennstoffmenge für wenigstens einen der Brennstoffe, vorzugsweise für beide Brennstoffe.
  • Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass das wenigstens eine Steuermodul zweiter Ordnung eine Prognose von erreichbaren Werten für die Vorgabewerte durchführt, wobei es die erreichbaren Werte an das wenigstens eine Steuermodul erster Ordnung zurückmeldet. Dabei werden die erreichbaren Werte von dem Steuermodul erster Ordnung bei der Berechnung der Vorgabewerte herangezogen. Diese Prognose entspricht bevorzugt der zuvor bereits erläuterten Prädiktion. Dabei wird die Prognose besonders bevorzugt für genau einen nächsten Rechenschritt, insbesondere genau einen nächsten Rechenzyklus der statischen Berechnung des Verbrennungsprozesses, also insbesondere einen nächsten Verbrennungsablauf oder ein nächstes Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine, durchgeführt. Die Prognose stellt insbesondere eine Abschätzung dar, welche Vorgabewerte in einem nächsten Schritt, insbesondere in einem nächsten Arbeitsspiel, erreichbar sind.
  • Die Dynamik der Brennkraftmaschine wird insbesondere durch diese Prognose oder Prädiktion berücksichtigt. Insbesondere hat das Steuermodul zweiter Ordnung bevorzugt die Eigenschaft, vorauszuberechnen, welche Vorgabe- oder Sollwerte ausgehend von einer aktuellen Situation der Brennkraftmaschine erreicht werden können. Dabei werden neben einem dynamischen Modell der von dem Steuermodul angesteuerten Teilkomponente(n) der Brennkraftmaschine vorzugsweise auch real auftretende Stellerbegrenzungen und Informationen, die aus Diagnose- und Überwachungsfunktionen generiert werden, berücksichtigt. Die so jeweils aktuell berechneten, erreichbaren Vorgabe- oder Sollwerte stellen Begrenzungen für die statische Berechnung in dem Steuermodul erster Ordnung, insbesondere für die Berechnung oder Optimierung des Verbrennungsprozesses, dar. Auf diese Weise wird die Dynamik der einzelnen, von Steuermodulen zweiter Ordnung angesteuerten Komponenten berücksichtigt und auf eine Begrenzung für das statische Modell, insbesondere für das statische Verbrennungsmodell, zurückgeführt. Vorzugsweise werden Anforderungen einzelner Komponenten an dynamisch veränderliche Größen des Systems der Brennkraftmaschine in gleicher Weise auf Begrenzungen für das statische Modell zurückgeführt. Auf diese Weise werden auftretende dynamische Effekte des Systems auf den nächsten Verbrennungsprozess durch eine Vorausberechnung, nämlich die Prognose oder Prädiktion, in den Komponenten auf Begrenzungen der erreichbaren Sollwerte für die statische Berechnung zurückgeführt und auf diese Weise berücksichtigt. Anforderungen von Komponenten an dynamische Größen des Betriebs der Brennkraftmaschine werden ebenfalls auf Begrenzungen der statischen Berechnung zurückgerechnet.
  • Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass das wenigstens eine Steuermodul zweiter Ordnung Begrenzungen, Diagnoseergebnisse und/oder Überwachungsergebnisse bei der Prognose berücksichtigt. Insbesondere werden also durch das Steuermodul zweiter Ordnung Begrenzungen für Steller, insbesondere Stelleranschläge, Klappenanschläge, Diagnoseergebnisse, insbesondere im Fehlerfall, beispielsweise Schwergängigkeiten, Klemmen und andere Defekte, und/oder Überwachungsergebnisse, insbesondere von im Betrieb der Brennkraftmaschine aktuell auftretenden Größen, berücksichtigt. Diese Ergebnisse und Begrenzungen sind relevant für die tatsächlich erreichbaren Vorgabe- oder Sollwerte. Das wenigstens eine Steuermodul zweiter Ordnung übergibt alternativ oder zusätzlich vorzugsweise diese Begrenzungen, Diagnoseergebnisse oder Überwachungsergebnisse an das Steuermodul erster Ordnung. Es ist also möglich, dass solche Begrenzungen, Diagnose- und/oder Überwachungsergebnisse indirekt berücksichtigt werden, indem sie von dem Steuermodul zweiter Ordnung zur Berechnung der erreichbaren Werte für die Vorgabewerte herangezogen werden. Es ist aber auch möglich, dass die Begrenzungen, Diagnose- oder Überwachungsergebnisse von dem Steuermodul zweiter Ordnung an das Steuermodul erster Ordnung übermittelt und direkt bei der Berechnung der Vorgabewerte durch das Steuermodul erster Ordnung berücksichtigt werden.
  • Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass Zielwerte für das wenigstens eine Steuermodul erster Ordnung durch ein übergeordnetes Koordinatormodul berechnet werden. Dabei führt das übergeordnete Koordinatormodul eine modellbasierte Berechnung, vorzugsweise Optimierung, des Betriebs der Brennkraftmaschine unter Berücksichtigung von wenigstens einem Optimierungsziel – vorzugsweise in Echtzeit – durch. Auf diese Weise ist es möglich, übergeordnete Zielvorgaben für den Betrieb der Brennkraftmaschine zu definieren und mittels des Koordinatormoduls umzusetzen.
  • Solche Zielwerte sind vorzugsweise Sollwerte für physikalische Größen der Brennkraftmaschine, insbesondere für solche Größen, die nicht unmittelbar durch die Ansteuerung von Stellern steuer- oder regelbar sind. Solche Zielwerte sind beispielsweise ein Sollwert für eine Stickoxid-Konzentration im Abgas der Brennkraftmaschine, ein Sollwert für eine Partikelkonzentration im Abgas der Brennkraftmaschine, und/oder ein Sollwert für eine Abgastemperatur. Ein solcher Zielwert kann auch ein Maximalwert sein, beispielsweise ein Maximalwert für eine Abgastemperatur und/oder ein Maximalwert für einen Verbrauch an Brennstoff. Auch weitere oder andere Konzentrationen von Schadstoffen im Abgas können Zielwerte für das Koordinatormodul sein.
  • Das wenigstens eine Steuermodul erster Ordnung übermittelt dem Koordinatormodul vorzugsweise Begrenzungen oder erreichbare Werte für die Zielwerte. Hiervon können auch Diagnoseergebnisse und/oder Überwachungsergebnisse umfasst sein, insbesondere ein Beladungszustand eines Partikelfilters, ein maximaler Umsatz an einem Katalysator, insbesondere an einem SCR-Katalysator, Alterungswerte von Komponenten oder andere Begrenzungen, Diagnose- und/oder Überwachungsergebnisse. Diese werden vorzugsweise bei der Berechnung der Zielwerte durch das Koordinatormodul berücksichtigt.
  • Insbesondere berücksichtigt das Koordinatormodul vorzugsweise eine Hierarchie von Optimierungszielen, wobei die Optimierungsziele insbesondere priorisiert sind. Falls auftretende Begrenzungen, Diagnose- und/oder Überwachungsergebnisse zeigen, dass nicht alle Optimierungsziele zugleich erfüllt werden können, wird dies durch das Steuermodul erster Ordnung festgestellt und an das Koordinatormodul zurückgemeldet, wobei in einem solchen Fall Optimierungsziele gemäß der Hierarchie der Optimierungsziele, insbesondere aber momentan nicht erreichbare Optimierungsziele, geringer gewichtet oder komplett außer Acht gelassen werden.
  • Das Koordinatormodul berücksichtigt bei der Berechnung der Zielwerte vorzugsweise gesetzliche Vorgaben, insbesondere in Hinblick auf Emissionen der Brennkraftmaschine. Dabei ist es ohne weiteres möglich, die gesetzlichen Vorgaben unmittelbar in das Koordinatormodul zu implementieren.
  • Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass wenigstens ein Zielwert, der durch das übergeordnete Koordinatormodul berechnet wird, ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus einer Soll-Stickoxid-Konzentration, einer Soll-Partikel-Konzentration oder einer Soll-Ruß-Konzentration im Abgas, einer Soll-Abgastemperatur, und einem maximalen Spitzendruck in einem Brennraum. Dabei kann es sich insbesondere um gesetzliche Vorgaben oder um anderweitige Anforderungen an die Brennkraftmaschine handeln, die insbesondere direkt in das Koordinatormodul implementiert werden können. Mithilfe eines geeignet definierten Zielwerts kann der Spitzendruck direkt begrenzt werden anstelle einer indirekten Begrenzung über Kennfelder oder einer impliziten Beschreibung über Stellgrößen.
  • Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass wenigstens ein Abgas-Steuermodul zur Steuerung und/oder Regelung einer Abgasnachbehandlungs-Komponente verwendet wird. Dabei kann es sich beispielsweise um ein Abgas-Steuermodul zur Steuerung oder Regelung eines SCR-Katalysators, oder um ein Abgas-Steuermodul zur Steuerung oder Regelung eines Partikelfilters handeln. Vorzugsweise kommuniziert das Abgas-Steuermodul direkt mit dem Koordinatormodul. Es besteht also insbesondere bevorzugt keine Kommunikationsverbindung zwischen dem Koordinatormodul und dem Abgas-Steuermodul vermittelt über ein Steuermodul erster Ordnung, sondern vielmehr kommunizieren das Koordinatormodul und das wenigstens eine Abgas-Steuermodul direkt miteinander. Dabei übermittelt das Koordinatormodul vorzugsweise Zielwerte, insbesondere Zielwerte für Emissionen der Brennkraftmaschine, an wenigstens ein Abgas-Steuermodul, wobei dieses vorzugsweise Begrenzungen, Diagnose- und/oder Überwachungsergebnisse sowie Zustandswerte, beispielsweise eine momentane Beladung eines Partikelfilters, eine Alterungsadaption eines SCR-Katalysators, eine Defektmeldung eines Reduktionsmittel-Dosierers, oder andere Informationen direkt an das Koordinatormodul zurückmeldet, wobei diese Informationen zur Berechnung der Zielwerte in dem Koordinatormodul herangezogen werden.
  • Alternativ oder zusätzlich ist bevorzugt vorgesehen, dass das wenigstens eine Abgas-Steuermodul momentan erreichbare Abgaswerte, insbesondere Konzentrationen im Abgas, ermittelt und an das Koordinatormodul übermittelt, wobei dieses aus den momentan erreichbaren Abgaswerten maximal zulässige Abgaswerte als Zielwerte für das Steuermodul erster Ordnung ermittelt oder berechnet.
  • Das Koordinatormodul koordiniert somit besonders bevorzugt den Betrieb der Brennkraftmaschine einerseits und zugleich die Abgasnachbehandlung andererseits. Dabei werden bestimmte Zielwerte bevorzugt sowohl an das wenigstens eine Steuermodul erster Ordnung als auch an das wenigstens eine Abgas-Steuermodul übermittelt. Auf diese Weise kann das wenigstens eine Steuermodul erster Ordnung durch entsprechende Berechnung von Vorgabewerten innermotorisch zur Einhaltung der Zielwerte beitragen, wobei das wenigstens eine Abgas-Steuermodul zusätzlich oder gegebenenfalls auch alternativ – insbesondere abhängig von einem konkreten Betriebszustand der Brennkraftmaschine – durch geeignete Steuerung oder Regelung der Abgasnachbehandlung zur Einhaltung der Zielwerte beitragen kann.
  • Das wenigstens eine Steuermodul erster Ordnung weist insbesondere ein Modell auf, welches eingerichtet ist, um aus den von dem Koordinatormodul übermittelten Zielwerten wenigstens einen Vorgabewert für das wenigstens eine Steuermodul zweiter Ordnung zu berechnen. Es empfängt also insbesondere die Zielwerte des Koordinatormoduls als Eingangswerte und gibt die Vorgabewerte für das wenigstens eine Steuermodul zweiter Ordnung als Ausgabewerte aus. Die Berechnung erfolgt statisch, also insbesondere ohne explizite Berücksichtigung einer Zeitabhängigkeit. Dabei sind zeitabhängige Effekte in der Berechnung insbesondere ausintegriert.
  • Die Aufgabe wird insbesondere auch gelöst, indem eine Steuereinrichtung für eine Brennkraftmaschine geschaffen wird, die eingerichtet ist zur Durchführung von einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens. Dabei verwirklichen sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden.
  • Die Steuereinrichtung weist insbesondere wenigstens ein Steuermodul erster Ordnung und wenigstens ein Steuermodul zweiter Ordnung auf. Bevorzugt weist die Steuereinrichtung außerdem ein Koordinatormodul sowie alternativ oder zusätzlich wenigstens ein Abgas-Steuermodul auf.
  • Es ist möglich, dass die verschiedenen Module als separate Steuergeräte ausgebildet sind, die miteinander wirkverbunden sind und gemeinsam die Steuereinrichtung bilden. Es ist aber auch möglich, dass verschiedene oder alle Module als Software- oder Hardwaremodule eines Steuergeräts ausgebildet sind. Auch eine Kombination dieser Möglichkeiten ist denkbar.
  • Besonders bevorzugt ist die Steuereinrichtung eingerichtet als zentrales Steuergerät der Brennkraftmaschine (Engine Control Unit – ECU), wobei sie insbesondere als Standard-Steuergerät für eine Brennkraftmaschine eingerichtet ist. Die Durchführung des Verfahrens auf einem Standard-Steuergerät ist trotz der dort gegebenen Rechenzeit- und Hardwarebeschränkungen möglich, da die Berechnungsschritte in der zuvor beschriebenen Weise separiert werden, wobei wenigstens ein erster Prozess statisch und wenigstens ein zweiter Prozess dynamisch berechnet wird.
  • Es ist möglich, dass das Verfahren fest in eine Hardwarestruktur der Steuereinrichtung implementiert ist. Bevorzugt wird aber auch ein Ausführungsbeispiel der Steuereinrichtung, in welches ein Computerprogrammprodukt geladen ist, welches Anweisungen aufweist, aufgrund derer ein Verfahren gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen durchgeführt wird, wenn das Computerprogrammprodukt auf dem Steuergerät läuft. Dabei sind bevorzugt die verschiedenen, oben beschriebenen Module als Software-Module des Computerprogrammprodukts ausgebildet.
  • Insofern wird auch ein Computerprogrammprodukt bevorzugt, welches Anweisungen aufweist, aufgrund derer eine der zuvor beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens durchführbar ist, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Rechner, insbesondere einer Steuereinrichtung für eine Brennkraftmaschine, läuft.
  • Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Brennkraftmaschine geschaffen wird, welche eingerichtet ist zur Durchführung von einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens, und/oder welche eine Steuereinrichtung gemäß einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele aufweist. Dabei verwirklichen sich in Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhand mit dem Verfahren erläutert wurden.
  • Die Brennkraftmaschine ist gemäß einem ersten konkreten Ausführungsbeispiel vorzugsweise als Gasmotor ausgebildet. Gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist es möglich, dass die Brennkraftmaschine als Selbstzünder, insbesondere als Dieselmotor ausgebildet ist. Weiterhin wird ein konkretes Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, welches als Zweistoffmotor, insbesondere als sogenannter Dual-Fuel-Motor, ausgebildet ist.
  • Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Hubkolbenmotor ausgebildet. Es ist möglich, dass die Brennkraftmaschine zum Antrieb eines Personenkraftwagens, eines Lastkraftwagens oder eines Nutzfahrzeugs eingerichtet ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dient die Brennkraftmaschine dem Antrieb insbesondere schwerer Land- oder Wasserfahrzeuge, beispielsweise von Minenfahrzeugen, Zügen, wobei die Brennkraftmaschine in einer Lokomotive oder einem Triebwagen eingesetzt wird, oder von Schiffen. Auch ein Einsatz der Brennkraftmaschine zum Antrieb eines der Verteidigung dienenden Fahrzeugs, beispielsweise eines Panzers, ist möglich. Ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine wird vorzugsweise auch stationär, beispielsweise zur stationären Energieversorgung im Notstrombetrieb, Dauerlastbetrieb oder Spitzenlastbetrieb eingesetzt, wobei die Brennkraftmaschine in diesem Fall vorzugsweise einen Generator antreibt. Auch eine stationäre Anwendung der Brennkraftmaschine zum Antrieb von Hilfsaggregaten, beispielsweise von Feuerlöschpumpen auf Bohrinseln, ist möglich. Weiterhin ist eine Anwendung der Brennkraftmaschine im Bereich der Förderung fossiler Roh- und insbesondere Brennstoffe, beispielswiese Öl und/oder Gas, möglich. Auch eine Verwendung der Brennkraftmaschine im industriellen Bereich oder im Konstruktionsbereich, beispielsweise in einer Konstruktions- oder Baumaschine, zum Beispiel in einem Kran oder einem Bagger, ist möglich. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Dieselmotor, als Benzinmotor, als Gasmotor zum Betrieb mit Erdgas, Biogas, Sondergas oder einem anderen geeigneten Gas, ausgebildet. Insbesondere wenn die Brennkraftmaschine als Gasmotor ausgebildet ist, ist sie für den Einsatz in einem Blockheizkraftwerk zur stationären Energieerzeugung geeignet.
  • Es zeigt sich Folgendes: Das hier beschriebene Verfahren führt eine mathematisch aufwändige, dynamische Optimierung auf ein statisches Optimierungsproblem zurück, das deutlich einfacher zu lösen ist. Dieses Vorgehen ist auch dadurch begründet, dass die Verbrennung in einem Brennraum der Brennkraftmaschine selbst ein statischer Prozess ist in Abhängigkeit von den Eingangsgrößen am Zylinder. Das dynamische Verhalten des Systems wird dabei nicht vernachlässigt. Vielmehr werden Komponenten mit ihren eigenen, unterlagerten Regelkreisen verwendet, wobei hierfür die Steuermodule zweiter Ordnung vorgesehen sind. Die Verbrennungsoptimierung in dem Steuermodul erster Ordnung generiert Sollwerte für diese unterlagerten Komponenten in Abhängigkeit von der aktuellen Betriebssituation der Zylinder und den auftretenden Begrenzungen. Durch die unterlagerten Regelkreise werden die Sollwerte unter Berücksichtigung des dynamischen Verhaltens der jeweiligen Komponenten eingeregelt.
  • Jede Komponente, insbesondere jedes Softwaremodul zweiter Ordnung, hat dabei bevorzugt noch die Eigenschaft, dass sie/es vorausberechnet, welche Sollwerte ausgehend von der aktuellen Situation erreicht werden können. Dabei werden neben einem dynamischen Modell der Teilkomponente auch real auftretende Stellerbegrenzungen und Informationen, die aus Diagnose- und Überwachungsfunktionen generiert werden, berücksichtigt. Die so jeweils aktuell berechneten, erreichbaren Sollwerte stellen Begrenzungen für die Verbrennungsoptimierung dar.
  • Es wird so die Dynamik der einzelnen Komponenten berücksichtigt und auf eine Begrenzung für das statische Verbrennungsmodell zurückgeführt.
  • Anforderungen einzelner Komponenten an dynamisch veränderliche Größen des Motorsystems werden in gleicher Weise auf Begrenzungen für das statische Verbrennungsmodell zurückgeführt.
  • Der statischen Verbrennungsoptimierung mit den Verknüpfungen zu den Komponenten ist ein Koordinatormodul überlagert. Es sorgt für die Sollwert-Erzeugung für die statische Verbrennungsoptimierung. Dabei findet insbesondere eine Koordination zwischen einer Abgasnachbehandlung und der Brennkraftmaschine statt. Die im Koordinator angelegten Gesetzesvorgaben werden dann beispielsweise umgerechnet in Emissions-Sollwerte für die Abgasnachbehandlung und die Brennkraftmaschine.
  • In dem Koordinatormodul ist auch eine Hierarchie von Optimierungszielen abgelegt. Falls auftretende Begrenzungen dazu führen, dass nicht alle Optimierungsziele erfüllt werden können, wird die Komponente der Verbrennungsoptimierung, also insbesondere das Steuermodul erster Ordnung, dies analog zu den anderen Komponenten, insbesondere also zu den Steuermodulen zweiter Ordnung, sowie Abgas-Steuermodulen, dem Koordinatormodul zurückmelden. Dort können dann in einem solchen Fall Optimierungsziele geringer gewichtet oder komplett abgeschaltet werden.
  • Somit wird insgesamt ein neues Prinzip eines elektronischen Motor-Managements geschaffen. Dabei werden Zielwerte für den Betrieb der Brennkraftmaschine bevorzugt in Form von Gütemaßen für eine Optimierung definiert. Dabei bezeichnet der Begriff „Gütemaß“ insbesondere eine Größe, die extremal gemacht, also insbesondere maximiert oder minimiert, werden soll. Somit sind die Zielwerte transparent und können insbesondere direkt auf die in einer gesetzlichen Vorgabe beschriebenen Größen formuliert werden. Es ist nicht erforderlich, diese Zielwerte indirekt über Hilfsgrößen, insbesondere mittels Korrekturkennfeldern, zu formulieren. Die Abhängigkeiten des Motormanagements können damit einfacher abgebildet werden, die Komplexität des Motor-Systems kann einfacher als bisher gehandhabt werden. Der Bedatungsaufwand für das gesamte Motor-Management nimmt dann ab, weil die Zusammenhänge durch die Teilmodelle beschrieben sind.
  • Dabei werden üblicherweise auftretende Probleme vermieden: Anstelle einer sehr aufwendigen, dynamischen Optimierung wird zumindest für den Verbrennungsprozess eine rein statische Betrachtung vorgenommen. Dieses Vorgehen ist gerechtfertigt, da der Verbrennungsprozess an sich in Abhängigkeit von Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine statisch ist. Austretende dynamische Effekte des Systems werden durch eine Vorausberechnung, insbesondere eine Prognose oder Prädiktion, in den Komponenten, insbesondere in den Steuermodulen zweiter Ordnung, auf den nächsten Verbrennungsprozess auf Begrenzungen der erreichbaren Sollwerte für die statische Optimierung des Verbrennungsprozesses zurückgeführt und auf diese Weise berücksichtigt. Anforderungen von Komponenten an dynamische Größen des Motorbetriebs werden ebenfalls auf Begrenzungen der statischen Optimierung zurückgerechnet.
  • Dieses Vorgehen überführt das ursprünglich dynamische Optimierungsproblem auf eine statische Optimierung für den Verbrennungsprozess, die deutlich einfacher zu lösen ist. Die Umsetzung des Verfahrens auf einem Standard-Steuergerät ist somit möglich.
  • Da alle Anforderung, wie statische oder dynamische Begrenzungen, Stellerbegrenzungen, Funktionen zum Bauteilschutz, und andere Begrenzungen oder Funktionen als Randbedingungen für die statische Optimierung der Verbrennung formuliert werden können, kann das Vorgehen hier auch als Verbrennungsprozess-bezogenes, optimales Motormanagement bezeichnet werden.
  • Die Beschreibung des Verfahrens einerseits und der Steuereinrichtung sowie der Brennkraftmaschine andererseits sind komplementär zueinander zu verstehen. Insbesondere sind Merkmale der Steuereinrichtung oder der Brennkraftmaschine, welche explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben wurden, bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Steuereinrichtung oder der Brennkraftmaschine. In analoger Weise sind Verfahrensschritte, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit der Steuereinrichtung und/oder der Brennkraftmaschine beschrieben wurden, bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Schritte einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens. Die Steuereinrichtung und/oder die Brennkraftmaschine ist/sind vorzugsweise gekennzeichnet durch wenigstens ein Merkmal, welches durch wenigstens einen Schritt einer erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens bedingt ist. Das Verfahren weist vorzugsweise wenigstens einen Verfahrensschritt auf, der durch wenigstens ein Merkmal eines erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsbeispiels der Steuereinrichtung oder der Brennkraftmaschine bedingt ist.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben. Dabei zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des Verfahrens sowie eines ersten Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine;
  • 2 eine Detaildarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Steuermoduls zweiter Ordnung, und
  • 3 eine schematische Darstellung weiterer Ausführungsbeispiele einer Brennkraftmaschine beziehungsweise Ausführungsformen des Verfahrens.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine 1, die eine Steuereinrichtung 3 aufweist, welche eingerichtet ist zur Durchführung einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine 1.
  • Dabei weist die Steuereinrichtung 3 insbesondere ein Steuermodul erster Ordnung 5 sowie wenigstens ein Steuermodul zweiter Ordnung, hier zwei Steuermodule zweiter Ordnung 7, 9 auf, wobei das wenigstens eine Steuermodul erster Ordnung 5 Vorgabewerte für die Steuermodule zweiter Ordnung 7, 9 mittels einer modellbasierten Berechnung, insbesondere Optimierung, berechnet, nämlich erste Vorgabewerte 11 für das erste Steuermodul zweiter Ordnung 7 und zweite Vorgabewerte 13 für das zweite Steuermodul zweiter Ordnung 9. Die Vorgabewerte 11, 13 werden durch die Steuermodule zweiter Ordnung 7, 9 zur Steuerung und/oder Regelung von wenigstens einer Funktion der Brennkraftmaschine 1 verwendet, wobei sie insbesondere als Soll- oder Stellwerte zur Ansteuerung von wenigstens einem Stellorgan verwendet werden, oder wobei die Vorgabewerte 11, 13 in Stellwerte zur Ansteuerung von wenigstens einem Stellorgan umgesetzt werden.
  • Im Rahmen des Verfahrens wird eine Separation von Berechnungsschritten derart durchgeführt, dass durch das Steuermodul erster Ordnung 5 eine statische Berechnung von einem ersten Prozess der Brennkraftmaschine 1 durchgeführt wird, wobei durch die Steuermodule zweiter Ordnung 7, 9 eine dynamische Berechnung anderer Prozesse der Brennkraftmaschine 1 durchgeführt wird.
  • Insbesondere ist dabei eine Zeitskalenseparation derart vorgesehen, dass der in dem Steuermodul erster Ordnung 5 statisch berechnete Prozess auf einer ersten, kleineren Zeitskala abläuft, die kleiner ist als eine zweite, größere Zeitskala, wobei die in den Steuermodulen zweiter Ordnung 7, 9 berechneten Prozesse auf der zweiten, größeren Zeitskala oder auf verschiedenen Zeitskalen ablaufen, die jedoch jeweils größer sind als die erste, kleinere Zeitskala. Insbesondere sind die Zeitskalen für die Prozesse, welche in den Steuermodulen zweiter Ordnung 7, 9 berechnet werden, vorzugsweise mindestens zwei Größenordnungen größer als die Zeitskala, auf welcher der durch das Steuermodul erster Ordnung 5 statisch berechnete Prozess abläuft.
  • Insbesondere führt das Steuermodul erster Ordnung 5 eine modellbasierte, statische Berechnung, vorzugsweise Optimierung, eines Verbrennungsprozesses der Brennkraftmaschine 1 durch. Dabei wird in dem Steuermodul erster Ordnung 5 zur Berechnung des Verbrennungsprozesses vorzugsweise ein explizit zeitunabhängiges und insoweit statisches Verbrennungsmodell verwendet.
  • Die Steuermodule zweiter Ordnung 7, 9 führen bevorzugt eine Prognose von erreichbaren Werten für die Vorgabewerte 11, 13 durch und übermitteln diese erreichbaren Werte an das Steuermodul erster Ordnung 5. Dabei werden hier insbesondere von dem ersten Steuermodul zweiter Ordnung 7 Begrenzungen 15 an das Steuermodul erster Ordnung 5 übermittelt, wobei von dem zweiten Steuermodul zweiter Ordnung 9 momentan erreichbare Werte 17 an das Steuermodul erster Ordnung 5 zurückgegeben werden. Die Begrenzungen 15 und die erreichbaren Werte 17 werden von dem Steuermodul erster Ordnung 5 bei der Berechnung der Vorgabewerte 11, 13 berücksichtigt.
  • Das zweite Steuermodul zweiter Ordnung 9 erhält darüber hinaus von einer ersten Diagnosekomponente 19 erste Diagnoseergebnisse 21, welche es vorzugsweise bei der Prognose der erreichbaren Werte 17 berücksichtigt.
  • Die Prognose wird vorzugsweise stets für einen Rechenschritt im Voraus durchgeführt, es werden also insbesondere erreichbare Werte und/oder Begrenzungen für einen nächsten Rechenzyklus der statischen Berechnung in dem Steuermodul erster Ordnung 5 – insbesondere für ein nächstes Arbeitsspiel – durchgeführt. Dabei wird die Dynamik des Systems der Brennkraftmaschine 1 insbesondere durch diese Prognose berücksichtigt.
  • Die Steuereinrichtung 3 weist außerdem ein übergeordnetes Koordinatormodul 23 auf, welches erste Zielwerte 25 für das dem Koordinatormodul 23 untergeordnete Steuermodul erster Ordnung 5 berechnet. Dabei führt das übergeordnete Koordinatormodul 23 eine modellbasierte Berechnung, insbesondere Optimierung des Betriebs der Brennkraftmaschine 1 unter Berücksichtigung von wenigstens einem Optimierungsziel– vorzugsweise in Echtzeit – durch.
  • Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel werden dem Koordinatormodul 23 Anforderungen 27 an den Betrieb der Brennkraftmaschine 1, beispielsweise durch einen Betreiber, insbesondere einen Kraftfahrzeugführer eines Kraftfahrzeugs, zu dessen Antrieb die Brennkraftmaschine 1 vorgesehen ist, oder durch Betriebsbedingungen für eine stationäre Brennkraftmaschine, oder in anderer Weise, übermittelt. Diese Anforderungen 27 werden durch das Koordinatormodul 23 verwendet, um die ersten Zielwerte 25 zu berechnen.
  • Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist außerdem wenigstens ein Abgas-Steuermodul vorgesehen, hier konkret zwei Abgas-Steuermodule 29, 31, die der Steuerung oder Regelung jeweils einer Abgasnachbehandlungs-Komponente dienen, wobei die Abgas-Steuermodule 29, 31 direkt mit dem Koordinatormodul 23 wirkverbunden sind, sodass sie direkt mit diesem kommunizieren. Dabei übermittelt das Koordinatormodul 23 insbesondere zweite Zielwerte 33 an das erste Abgas-Steuermodul 29, wobei dieses zweite Begrenzungen 35 und/oder erste Zustandsmeldungen 37 an das Koordinatormodul 23 übermittelt. Das zweite Abgas-Steuermodul 31 übermittelt hier eine zweite Zustandsmeldung 39 sowie einen Abgas-Sollwert 41 für eine möglichst effiziente Abgasnachbehandlung an das Koordinatormodul 23.
  • Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine 1 handelt es sich insbesondere um einen Dieselmotor. Das Steuermodul erster Ordnung 5 ist dabei eingerichtet zur Durchführung einer modellbasierten, statischen Berechnung eines Verbrennungsprozesses der Brennkraftmaschine 1, insbesondere als Komponente zur Verbrennungsoptimierung. Es führt dabei Berechnungen von Sollwerten auf der Grundlage eines Verbrennungsmodells und eines statischen Optimierers insbesondere unter Berücksichtigung von den ersten Begrenzungen 15 und den erreichbaren Werten 17 aus. Es ist möglich, dass das Steuermodul erster Ordnung 5 selbst Begrenzungen aufweist, die direkt in es implementiert sind. Insbesondere ist es möglich, dass das Steuermodul erster Ordnung 5 intrinsisch eine Begrenzung für einen maximalen Brennraumdruck, insbesondere einen maximalen Zylinderspitzendruck, für die Brennkraftmaschine 1 aufweist. Solche intrinsischen Begrenzungen werden selbstverständlich ebenfalls von dem Steuermodul erster Ordnung 5 bei der Berechnung der Vorgabewerte 11, 13 berücksichtigt.
  • Das erste Steuermodul zweiter Ordnung 7 ist bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel eingerichtet zur Steuerung oder Regelung einer Einspritzung, insbesondere als Einspritzkomponente oder Einspritzmodul. Es weist insbesondere Regler zur Regelung eines Raildrucks eines Common-Rail-Einspritzsystems, eines Einspritzbeginn und/oder einer Bestromungsdauer für wenigstens einen Injektor zur Injektion von Brennstoff in wenigstens einem Brennraum der Brennkraftmaschine 1 auf. Es ist weiterhin vorzugsweise eingerichtet, um Zustände der Regler zu überwachen und/oder um Zustände der zur Regelung vorgesehenen Steller zu überwachen, wobei aus diesen Informationen insbesondere die Begrenzungen 15 ermittelt werden können. Weiterhin ist das erste Steuermodul zweiter Ordnung 7 bevorzugt eingerichtet, um technisch vorgegebene Grenzwerte für Bauteile der Brennkraftmaschine 1 zu berücksichtigen und insbesondere als Begrenzungen 15 an das Steuermodul erster Ordnung 5 zurückzumelden, insbesondere einen maximalen Raildruck und/oder eine maximale Temperatur für wenigstens einen Injektor der Brennkraftmaschine 1.
  • Das zweite Steuermodul zweiter Ordnung 9 ist vorzugsweise eingerichtet als Steuermodul zur Regelung oder Steuerung eines Ladepfads, hier eines Luftpfads, der insbesondere eingerichtet ist zur Zuführung von Verbrennungsluft in einen Brennraum der Brennkraftmaschine 1. Dabei weist das zweite Steuermodul zweiter Ordnung 9 insbesondere einen Luftpfad-Regler 43 auf, der eingerichtet ist zur Regelung von Komponenten des Luftpfads, beispielsweise zur Regelung oder Steuerung einer Drosselklappenstellung, und vorzugsweise ein Turbolader-Modell 45, das eingerichtet ist zur Ansteuerung oder Regelung eines Abgasturboladers. Weiterhin weist das zweite Steuermodul zweiter Ordnung 9 vorzugsweise eine Berechnungskomponente 47 auf, welche eingerichtet ist zur Berechnung erreichbarer Werte in dem Luftpfad, beispielsweise erreichbarer Werte für einen Ladedruck und/oder ein Verbrennungsluft-Brennstoff-Verhältnis, also einen Lambdawert. Die Berechnungskomponente 47 ist außerdem bevorzugt eingerichtet zur Auswertung von Diagnosefunktionen, welche dem zweiten Steuermodul zweiter Ordnung 9 zugeordnet sind. Dabei ist das zweite Steuermodul zweiter Ordnung 9 insbesondere mit der ersten Diagnosekomponente 19 wirkverbunden, welche erste Messwerte 49 empfängt, beispielsweise Messwerte einer Klappenposition einer Drosselklappe, und daraus beispielsweise einen Drosselklappendefekt erkennt. Dieser kann als Diagnoseergebnis 21 an das zweite Steuermodul zweiter Ordnung 9 gemeldet werden, wobei der Defekt vorzugsweise durch die Berechnungskomponente 47 ausgewertet wird. Insbesondere berechnet die Berechnungskomponente 47 auf der Grundlage des erkannten Defekts den wenigstens einen erreichbaren Wert 17, insbesondere einen erreichbaren Ladedruck und/oder einen erreichbaren Lambda-Wert.
  • Das Steuermodul erster Ordnung 5 berechnet als erste Vorgabewerte 11 für das erste Steuermodul zweiter Ordnung 7 vorzugsweise Sollwerte für einen Raildruck, einen Spritzbeginn und eine einzuspritzende Brennstoffmenge. Es erhält von dem ersten Steuermodul zweiter Ordnung 7 als Begrenzungen 15 vorzugsweise einen minimalen Raildruck und/oder einen maximalen Raildruck zurückgemeldet. Weiterhin berechnet das Steuermodul erster Ordnung 5 als Vorgabewerte für das zweite Steuermodul zweiter Ordnung 9 vorzugsweise Sollwerte für einen Ladedruck und einen Lambda-Wert, welche es als zweite Vorgabewerte 13 an das zweite Steuermodul zweiter Ordnung 9 übermittelt. Es erhält von dem zweiten Steuermodul zweiter Ordnung 9 als erreichbare Werte 17 vorzugsweise minimale Werte für den Ladedruck und den Lambda-Wert und/oder maximal erreichbare Werte für den Ladedruck und den Lambda-Wert.
  • Das Koordinatormodul 23 berechnet als erste Zielwerte 25 für das Steuermodul erster Ordnung 5 vorzugsweise eine Soll-Stickoxid-Konzentration im Abgas, eine Soll-Rußkonzentration im Abgas, sowie eine Soll-Abgastemperatur. Außerdem berechnet es als erste Zielwerte 25 vorzugsweise auch eine maximale Abgastemperatur. Das Koordinatormodul 23 erhält von dem Steuermodul erster Ordnung 5 eine Information 51 über die Erreichbarkeit der durch das Koordinatormodul 23 vorgegebenen Zielwerte. Diese Information 51, welche von dem Steuermodul erster Ordnung 5 – bevorzugt insbesondere auf der Grundlage der Begrenzungen 15 und der erreichbaren Werte 17 – berechnet wird, wird von dem Koordinatormodul 23 wiederum herangezogen, um neue Zielwerte 25 zu berechnen.
  • Das Koordinatormodul 23 ist bevorzugt außerdem wirkverbunden mit einem Drehzahlregler 53, an den es vorzugsweise eine Drehzahlvorgabe 55 übermittelt, die es insbesondere auf der Grundlage der Anforderungen 27 berechnet. Der Drehzahlregler 53 berechnet aus der Drehzahlvorgabe 55 eine Soll-Einspritzmenge 57 und übermittelt diese an das Steuermodul erster Ordnung 5, wobei dieses die Soll-Einspritzmenge 57 der Berechnung der Vorgabewerte 11, 13 zugrunde legt.
  • Das Koordinatormodul 23 erhält als Anforderungen 27 insbesondere Forderungen eines Betreibers der Brennkraftmaschine 1. Insbesondere umfassen die Anforderungen 27 bevorzugt Anforderungen an eine Drehzahl und/oder ein Drehmoment für die Brennkraftmaschine 1.
  • In das Koordinatormodul 23 sind bevorzugt gesetzliche Vorgaben für Stickoxid- und/oder Partikelemissionen der Brennkraftmaschine 1 implementiert. Diese gesetzlichen Vorgaben werden durch das Koordinatormodul 23 umgesetzt in Zielwerte 25, 33. Außerdem weist das Koordinatormodul 23 vorzugsweise eine Mehrzahl von Optimierungszielen auf, wobei diese Optimierungsziele zeitlich variieren oder auch miteinander in Konflikt stehen können. Solche Optimierungsziele betreffen insbesondere eine Soll-Stickoxidkonzentration, eine Soll-Rußkonzentration und/oder eine Soll-Abgastemperatur. Auch ein Soll-Verbrauch oder ein Maximal-Verbrauch an Brennstoff sind als Zielwerte möglich. Diese Optimierungsziele können insbesondere unter Berücksichtigung eines maximalen Umsatzes an einem Abgasnachbehandlungselement, insbesondere einem SCR-Katalysator, einer Beladung eines Partikelfilters, den gesetzlichen Vorgaben, einem aktuellen Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1, insbesondere abhängig von den Anforderungen 27, und/oder abhängig von anderen oder weiteren Größen variieren. Dabei weist das Koordinatormodul 23 bevorzugt eine Hierarchie der Optimierungsziele auf, anhand derer es entscheiden kann, welches Optimierungsziel zu welchem Zeitpunkt und unter welchen Umständen mit welcher Priorität angestrebt wird. Dabei berücksichtigt das Koordinatormodul 3 bei der Auswahl der Optimierungsziele insbesondere die Informationen 51, welche es durch das Steuermodul erster Ordnung 5 erhält.
  • Das erste Abgas-Steuermodul 29 ist bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als Steuermodul zur Steuerung eines SCR-Katalysators eingerichtet. Dabei ist es insbesondere eingerichtet zur Durchführung einer Emissionsregelung, einer Alterungsadaption für den SCR-Katalysator und/oder zur Berücksichtigung dynamischer Grenzen desselben. Dabei erhält das erste Abgas-Steuermodul 29 durch das Koordinatormodul 23 insbesondere eine Soll-Stickoxidkonzentration im Abgas stromabwärts des SCR-Katalysators als zweiten Zielwert 33 übermittelt. In das erste Abgas-Steuermodul 29 gehen als Eingangsgrößen eine Abgas-Temperatur 59 vor und/oder nach dem SCR-Katalysator sowie eine Stickoxid-Konzentration 61 im Abgas vor und/oder nach dem SCR-Katalysator ein. Insbesondere anhand dieser Eingangsgrößen berechnet das erste Abgas-Steuermodul 29 – vorzugsweise anhand eines Kennfelds, insbesondere in Abhängigkeit von einer Abgas-Temperatur und/oder einem Abgasmassenstrom – einen maximalen Umsatz von Stickoxiden, den es dem Koordinatormodul 23 als zweite Begrenzungen 35 übermittelt. Zusätzlich oder alternativ berechnet es vorzugsweise insbesondere anhand der Abgas-Temperatur 59 und der Stickoxidkonzentration 61 eine maximale Abgastemperatur, welche es dem Koordinatormodul 23 als erste Zustandsmeldung 37 übermittelt.
  • Weiterhin ist das erste Abgas-Steuermodul 29 vorzugsweise mit einer zweiten Diagnosekomponente 63 wirkverbunden, in welche zweite Messwerte 65 eingehen. Die zweite Diagnosekomponente 63 ermittelt insbesondere Fehlfunktionen oder Defekte einer SCR-Katalyseeinrichtung, insbesondere des SCR-Katalysators selbst und/oder einer Dosiereinrichtung zur Eindosierung eines Reduktionsmittels, beispielsweise einer Harnstoff-Wasser-Lösung. Daraus resultieren zweite Diagnoseergebnisse 67, welche die zweite Diagnosekomponente 63 an das erste Abgas-Steuermodul 29 übermittelt, und welche das erste Abgas-Steuermodul 29 zur Berechnung der zweiten Begrenzungen 35 und/oder der ersten Zustandsmeldung 37 heranzieht.
  • Das zweite Abgas-Steuermodul 31 ist hier insbesondere eingerichtet zur Steuerung oder Regelung eines Partikelfilters, wobei es insbesondere ein Beladungsmodell aufweist, anhand dessen es eine Beladung des Partikelfilters berechnen kann. Weiterhin weist es vorzugsweise ein Berechnungsmodell zur Berechnung von Anforderungen an ein Thermomanagement des Partikelfilters auf. Als Eingangswerte erhält das zweite Abgas-Steuermodul 31 vorzugsweise einen Differenzdruck 69, der über dem Partikelfilter abfällt, sowie eine Temperatur 71 des Partikelfilters. Mittels des Beladungsmodells und/oder des Anforderungsmodells für das Thermomanagement berechnet das zweite Abgas-Steuermodul 31 hieraus insbesondere einen Beladungszustand, welchen es als zweite Zustandsmeldung 39 an das Koordinatormodul 23 zurückmeldet. Außerdem berechnet es vorzugsweise eine Soll-Abgastemperatur, welches als Abgassollwert 41 an das Koordinatormodul 23 übermittelt.
  • Das Koordinatormodul 23 berücksichtigt wiederum die zweiten Begrenzungen 35, die erste Zustandsmeldung 37, den Abgassollwert 41 und die zweite Zustandsmeldung 39 bei der Berechnung der Zielwerte 25, 33.
  • Das Koordinatormodul 23 übermittelt also insbesondere Soll-Stickoxid-Konzentrationen sowohl an das Steuermodul erster Ordnung 5 als auch an das erste Abgas-Steuermodul 29. Vorzugsweise ist das Koordinatormodul 23 eingerichtet, um eine Abwägung zwischen einer innerzylindrischen Stickoxid-Reduktion und einer Stickoxid-Reduktion mittels einer Abgasnachbehandlung durch das Abgas-Steuermodul durchzuführen. Anhand dieser Abwägung kann es dann insbesondere verschiedene Sollwerte für die Soll-Stickoxidkonzentration einerseits an das erste Steuermodul erster Ordnung 5 und andererseits an das erste Abgas-Steuermodul 29 übermitteln, um die Reduktion der Stickoxid-Emissionen in für den aktuellen Betriebszustand und die aktuellen Anforderungen 27 geeigneter Weise auf innerzylindrische Maßnahmen einerseits, welche von der Verbrennungsoptimierung in dem Steuermodul erster Ordnung 5 berücksichtigt werden, und auf Maßnahmen der Abgasnachbehandlung andererseits, welche durch das Abgas-Steuermodul 29 durchgeführt werden, aufzuteilen.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für ein Steuermodul zweiter Ordnung, beispielsweise für das erste Steuermodul zweiter Ordnung 7. Das hier in Zusammenhang mit 2 ausgeführte gilt aber vorzugsweise genauso für das zweite Steuermodul zweiter Ordnung 9 und/oder für ein beliebiges anderes oder zusätzliches Steuermodul zweiter Ordnung. Bei dem Steuermodul zweiter Ordnung 7 handelt es sich bevorzugt um ein Softwaremodul oder eine sogenannte Komponente einer Software. Es kann sich aber auch um ein eigenes, separates Steuergerät handeln, also insbesondere um eine Hardware-Komponente. 2 dient insbesondere dazu, die prinzipielle Funktionsweise eines solchen Steuermoduls zweiter Ordnung zu erläutern.
  • Das Steuermodul zweiter Ordnung 7 erhält als Vorgabewerte 11 Sollwerte, insbesondere von einem Steuermodul erster Ordnung, das in 2 nicht dargestellt ist. Weiterhin erhält es vorzugsweise Informationen 73 von einer Diagnosefunktion, wie dies beispielsweise für das in 1 dargestellte zweite Steuermodul zweiter Ordnung 9 in Form der Diagnoseergebnisse 21 von der ersten Diagnosekomponente 19 der Fall ist.
  • Das Steuermodul zweiter Ordnung 7 weist einen Regler 75 auf, welcher die durch das Steuermodul zweiter Ordnung 7 geregelte Unter-Einrichtung oder Komponente der Brennkraftmaschine, beispielsweise einen Ladepfad oder eine Eindosierung, auf die von außen vorgegebenen Sollwerte, nämlich die Vorgabewerte 11, regelt. Zusätzlich weist das hier dargestellte Ausführungsbeispiel eines Steuermoduls zweiter Ordnung 7 eine Fehlerauswertungsfunktion 77 auf, welche auftretende Fehler insbesondere in durch den Regler 75 angesteuerten Stellern, anhand der Informationen 73 ermittelt. Weiterhin weist das hier dargestellte Ausführungsbeispiel des Steuermoduls zweiter Ordnung 7 eine Berechnungskomponente 79 zur Berechnung erreichbarer Werte auf, also zur Berechnung von Werten, welche für die Vorgabewerte 11 tatsächlich in der aktuellen Betriebssituation erreichbar sind. Diese Funktion entspricht insbesondere der in 1 dargestellten Berechnungskomponente 47 des zweiten Steuermoduls zweiter Ordnung 9.
  • Insbesondere auf der Grundlage der Ergebnisse der Berechnungskomponente 79 und/oder der Berechnungsergebnisse der Fehlerauswertungsfunktion 77 berechnet das Steuermodul zweiter Ordnung 7 aktuell erreichbare Vorgabewerte 81, die beispielsweise die Begrenzungen 15 und/oder die erreichbaren Werte 17 gemäß 1 sind. Dabei gibt das Steuermodul zweiter Ordnung 7 die erreichbaren Vorgabewerte 81 vorzugsweise in derselben Größe zurück, in welcher auch die Vorgabewerte 11 beschrieben werden. In die Berechnung der erreichten Vorgabewerte 81 geht bevorzugt auch eine Parametrierung des Reglers 75, insbesondere eines PID-Reglers, ein. Die Reglerparametrierung hat nämlich Einfluss auf die Vorgabewerte 11, die tatsächlich in einem nächsten Schritt erreicht werden können. Bei der Berechnung der erreichbaren Vorgabewerte 81 werden auch Stellerbegrenzungen, beispielsweise Klappenanschläge und/oder Bauteilbegrenzungen, berücksichtigt.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung weiterer Ausführungsbeispiele der Brennkraftmaschine 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird.
  • Bei der Brennkraftmaschine 1 gemäß 3 ist gegebenenfalls keine Abgasnachbehandlung sowie vorzugsweise auch keine Abgasrückführung vorgesehen. Entsprechend fehlen hier die Abgas-Steuermodule 29, 31. Es ist gleichwohl möglich, eine Abgasnachbehandlung und/oder -rückführung vorzusehen.
  • Im Übrigen können nach dem in 3 dargestellten Schema verschiedene Ausführungsbeispiele der Brennkraftmaschine 1 ausgebildet sein:
    Bei einem bevorzugten, zweiten Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine 1 ist diese vorzugsweise als Gasmotor ausgebildet, insbesondere als gemischverdichtender Gasmotor. In diesem Fall unterscheidet sich das Ausführungsbeispiel von dem in 1 dargestellten, ersten Ausführungsbeispiel insoweit, als der Drehzahlregler 53 als Ausgabewert nicht eine Soll-Einspritzmenge, sondern vielmehr ein Soll-Drehmoment 83 an das Steuermodul erster Ordnung 5 übermittelt. Weiterhin übermittelt das Steuermodul erster Ordnung 5 als erste Vorgabewerte 11 bei dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 3 an das erste Steuermodul zweiter Ordnung 7 Sollwerte für einen Brenngas-Druck, einen Zündzeitpunkt, und eine – vorzugsweise vor Verdichter in einen Ladepfad einzubringende – Brenngasmenge. Das erste Steuermodul zweiter Ordnung 7 umfasst einen Regler für den Brenngasdruck, einen Zündzeitpunkt, und vorzugsweise eine Bestromungsdauer einer Brenngas-Zudosiereinrichtung. Es umfasst weiterhin bevorzugt Komponenten zur Rückmeldung eines Zustands des Brenngasdruck-Reglers und vorzugsweise auch zur Berücksichtigung von Bauteilgrenzen, beispielsweise einem maximalen Brenngasdruck, sowie einer maximalen Temperatur für die Brenngas-Zudosiereinrichtung. Als Begrenzungen 15 meldet das erste Steuermodul zweiter Ordnung 7 vorzugsweise einen minimalen Brenngasdruck und/oder einen maximalen Brenngasdruck an das Steuermodul erster Ordnung 5 zurück.
  • Das zweite Steuermodul zweiter Ordnung 9 ist bei dem hier beschriebenen, zweiten Ausführungsbeispiel vorzugsweise als Steuermodul zur Steuerung oder Regelung eines Ladepfads, insbesondere zur Zuführung von einem verdichteten Verbrennungsluft-Brenngas-Gemisch in einen Brennraum der Brennkraftmaschine 1, eingerichtet. Dabei weist es vorzugsweise die Komponenten auf, welche auch bereits in Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 beschrieben wurden, wobei es allerdings als zweite Vorgabewerte 13 von dem Steuermodul erster Ordnung 5 Sollwerte für einen Ladedruck und einen Druck stromaufwärts einer Drosselklappe erhält. Es übermittelt als erreichbare Werte 17 vorzugsweise an das Steuermodul erster Ordnung 5 erreichbare Werte für einen minimalen Ladedruck sowie einen minimalen Druck stromaufwärts der Drosselklappe, und/oder für einen maximalen Ladedruck sowie einen maximalen Druck stromaufwärts der Drosselklappe.
  • Das in 3 dargestellte Schema steht aber auch für ein drittes Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine 1, welches als Zweistoffmotor, insbesondere als Bi-Fuel- oder als Dual-Fuel-Motor ausgebildet ist. Auch in diesem Fall berechnet der Drehzahlregler 53 vorzugsweise das Soll-Drehmoment 83 und übergibt dieses an das Steuermodul erster Ordnung 5. Dieses berechnet allerdings als erste Vorgabewerte 11 bei dem dritten Ausführungsbeispiel Sollwerte für einen Raildruck eines ersten Brennstoffs sowie für einen Raildruck eines zweiten Brennstoffs, insbesondere für einen Dieselbrennstoff als ersten Brennstoff und für einen Ottobrennstoff als zweiten Brennstoff, einen Sollwert für einen Spritzbeginn für den ersten Brennstoff und/oder den zweiten Brennstoff, sowie einzuspritzende Brennstoffmengen für den ersten und/oder den zweiten Brennstoff.
  • Das erste Steuermodul zweiter Ordnung 7 dient bevorzugt der Regelung oder Steuerung einer Einspritzung der beiden verschiedenen Brennstoffe, wobei es vorzugsweise für jeden Brennstoff einen Raildruckregler, einen Spritzbeginnregler sowie einen Regler für die Bestromungsdauer entsprechender Injektoren oder eines Mehrstoffinjektors aufweist. Es weist außerdem eine Komponente zur Rückmeldung eines Zustands der verschiedenen Regler auf, wobei es weiterhin eingerichtet ist, um Bauteilgrenzen, beispielsweise maximale Raildrücke sowie maximale Injektortemperaturen zu berücksichtigen. Es übermittelt vorzugsweise als Begrenzungen 15 zumindest einen minimalen Raildruck für den ersten und/oder den zweiten Brennstoff, sowie alternativ oder zusätzlich einen maximalen Raildruck für den ersten und/oder für den zweiten Brennstoff.
  • Das zweite Steuermodul zweiter Ordnung 9 ist dabei bevorzugt ausgebildet, wie dies bereits in Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 erläutert wurde, also als Steuermodul zur Steuerung oder Regelung eines Luftpfads, wobei es – wie ebenfalls in Zusammenhang mit 1 bereits erläutert – vorzugsweise als zweite Vorgabewerte 13 von dem Steuermodul erster Ordnung 5 Sollwerte für einen Ladedruck und einen Lambda-Wert übermittelt erhält, wobei es an das Steuermodul erster Ordnung 5 erreichbare Werte 17 für einen minimalen Ladedruck und/oder einen minimalen Lambda-Wert, sowie alternativ oder zusätzlich erreichbare Werte für einen maximalen Ladedruck und/oder einen maximalen Lambda-Wert übermittelt.
  • Dabei weisen vorzugsweise sowohl das zweite Ausführungsbeispiel als auch das dritte Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine 1 ebenfalls die erste Diagnosekomponente 19 auf, die anhand der ersten Messwerte 49 die ersten Diagnoseergebnisse 21 übermittelt, wobei hier insbesondere Klappendefekte, besonders bevorzugt Defekte einer Drosselklappe in dem Luftpfad, feststellbar sind, wobei diese Diagnoseergebnisse 21 dann von dem zweiten Steuermodul zweiter Ordnung 9 zur Berechnung der erreichbaren Werte 17 herangezogen werden können.
  • Insgesamt zeigt sich, dass mithilfe des Verfahrens, der Steuereinrichtung 3 und der Brennkraftmaschine 1 eine wenig rechenaufwendige und sehr effiziente Umsetzung eines elektronischen Gesamt-Motor-Managements geschaffen ist, wobei insbesondere eine ganzheitliche Betrachtung der Brennkraftmaschine 1 möglich ist. Dabei ist die Berechnung auf Standard-Steuergeräten möglich, weil insbesondere durch die statische Verbrennungsoptimierung in dem Steuermodul erster Ordnung 5 Rechenzeit und Rechenleistung eingespart werden können.

Claims (11)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1), wobei – wenigstens ein Steuermodul erster Ordnung (5) Vorgabewerte (11, 13) für wenigstens ein Steuermodul zweiter Ordnung (7, 9) berechnet, wobei – die Vorgabewerte (11, 13) durch das wenigstens eine Steuermodul zweiter Ordnung (7, 9) zur Steuerung und/oder Regelung der Brennkraftmaschine (1) verwendet werden, wobei – eine Separation von Berechnungsschritten derart durchgeführt wird, dass – durch das wenigstens eine Steuermodul erster Ordnung (5) eine statische Berechnung von wenigstens einem ersten Prozess der Brennkraftmaschine (1) durchgeführt wird, wobei – durch das wenigstens eine Steuermodul zweiter Ordnung (7, 9) eine dynamische Berechnung von wenigstens einem zweiten Prozess der Brennkraftmaschine (1) durchgeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch das wenigstens eine Steuermodul erster Ordnung (5) eine statische Berechnung von einem Prozess der Brennkraftmaschine (1) durchgeführt wird, der auf einer ersten, kleineren Zeitskala abläuft, wobei durch das wenigstens eine Steuermodul zweiter Ordnung (7, 9) eine dynamische Berechnung von wenigstens einem zweiten Prozess der Brennkraftmaschine (1), der auf einer zweiten, größeren Zeitskala abläuft, durchgeführt wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Steuermodul erster Ordnung (5) eine modellbasierte, statische Berechnung eines Verbrennungsprozesses der Brennkraftmaschine (1) durchführt, wobei es vorzugsweise als Vorgabewert (11, 13) wenigstens einen Sollwert berechnet, der ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus einem Brennstoffdruck, insbesondere einem Raildruck, einem Spritzbeginn, einem Zündzeitpunkt, einer einzudosierenden Brennstoffmenge, einem Ladedruck, und einem Lambda-Wert.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Steuermodul zweiter Ordnung (7, 9) ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus einem Steuermodul zur Regelung oder Steuerung einer Eindosierung von Brennstoff, und einem Steuermodul zur Steuerung oder Regelung eines Ladepfads.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Steuermodul zweiter Ordnung (7, 9) eine Prognose von erreichbaren Werten (17) für die Vorgabewerte (11, 13) durchführt und die erreichbaren Werte (17) an das wenigstens eine Steuermodul erster Ordnung (5) zurückmeldet, wobei die erreichbaren Werte (17) von dem Steuermodul erster Ordnung (5) bei der Berechnung der Vorgabewerte (11, 13) berücksichtigt werden.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Steuermodul zweiter Ordnung (7, 9) Begrenzungen (15), Diagnoseergebnisse (21) und/oder Überwachungsergebnisse bei der Prognose berücksichtigt und/oder an das Steuermodul erster Ordnung (5) übergibt.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – Zielwerte (25) für das wenigstens eine Steuermodul erster Ordnung (5) durch ein übergeordnetes Koordinatormodul (23) berechnet werden, wobei – das übergeordnete Koordinatormodul (23) eine modellbasierte Berechnung des Betriebs der Brennkraftmaschine (1) unter Berücksichtigung von wenigstens einem Optimierungsziel durchführt.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Zielwert (25) ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus einer Soll-Stickoxidkonzentration, einer Soll-Partikel-Konzentration oder einer Soll-Rußkonzentration, und einer Soll-Abgastemperatur.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Abgas-Steuermodul (29, 31) zur Steuerung oder Regelung einer Abgasnachbehandlungskomponente verwendet wird, wobei das Abgas-Steuermodul (29, 31) vorzugsweise direkt mit dem Koordinatormodul (23) in Wirkverbindung ist.
  10. Steuereinrichtung (3) für eine Brennkraftmaschine (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (3) eingerichtet ist zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
  11. Brennkraftmaschine (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) eingerichtet ist zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, und/oder dass die Brennkraftmaschine (1) eine Steuereinrichtung (3) gemäß Anspruch 10 aufweist.
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