DE102015225279A1

DE102015225279A1 - Verfahren und Einrichtung zum prädiktiven Steuern und/oder Regeln einer Brennkraftmaschine sowie Brennkraftmaschine mit der Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102015225279A1
Application number: DE102015225279.5A
Authority: DE
Inventors: Jens Niemeyer; Jörg Remele; Knut Graichen; Michael Buchholz; Karsten Harder
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 2015-12-15
Filing date: 2015-12-15
Publication date: 2017-06-22
Anticipated expiration: 2035-12-16
Also published as: US20180216558A1; WO2017102039A1; DE102015225279B4; US10669962B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur prädiktiven Steuerung und/oder Regelung einer Brennkraftmaschine mit Stellgrößen unter Vorgabe eines Modells der Brennkraftmaschine mit kennzeichnenden Größen und eines Regelkreises für die Stellgrößen, wobei – in dem Verfahren die Stellgrößen der Brennkraftmaschine geregelt oder gesteuert eingestellt werden und das Verfahren die Schritte aufweist: – Messung von Ist-Werten und Vorgabe von Soll-Werten der kennzeichnenden Größen der Brennkraftmaschine, sowie optional in Abhängigkeit von Rand- und/oder Umwelt- und/oder Alterungs-Bedingungen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die kennzeichnenden Größen unter Vorgabe eines Modells der Brennkraftmaschine mit den kennzeichnenden Größen und eines Regelkreises mit den Stellgrößen geregelt werden, wobei das Regeln im Rahmen eines modellbasierten prädikitiven Regelns erfolgt, bei dem die kennzeichnenden Größen des Modells der Brennkraftmaschine berechnet werden und die Stellgrößen der Brennkraftmaschine prädiktiv geregelt eingestellt werden. Erfindungsgemäß ist weiter vorgesehen, dass zum Regeln ein modellbasierter prädiktiver nichtlinearer Regler verwendet wird, der modular mit einer Anzahl von modellbasierten prädiktiven Regelmodulen aufgebaut ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur prädiktiven Steuerung und/oder Regelung einer Brennkraftmaschine mit Stellgrößen unter Vorgabe eines Modells der Brennkraftmaschine mit kennzeichnenden Größen und eines Regelkreises für die Stellgrößen, wobei

– in dem Verfahren die Stellgrößen der Brennkraftmaschine geregelt oder gesteuert eingestellt werden und das Verfahren die Schritte aufweist:
– Messung von Ist-Werten und Vorgabe von Soll-Werten der kennzeichnenden Größen der Brennkraftmaschine, sowie optional in Abhängigkeit von Rand- und/oder Umwelt- und/oder Alterungs-Bedingungen. Die Erfindung führt auch auf eine Einrichtung zum prädiktiven Steuern und/oder Regeln der Brennkraftmaschine, die ausgebildet ist zur Durchführung des Verfahrens. Weiter führt die Erfindung auf eine Brennkraftmaschine mit der Einrichtung zum prädiktiven Steuern und/oder Regeln der Brennkraftmaschine.

Das Regeln von kennzeichnenden Größen kann unter Vorgabe eines Modells der Brennkraftmaschine mit den kennzeichnenden Größen und eines Regelkreises mit den Stellgrößen erfolgen, wobei das Regeln im Rahmen eines modellbasierten prädiktiven Regelns erfolgt, bei dem die kennzeichnenden Größen des Modells der Brennkraftmaschine berechnet werden und die Stellgrößen der Brennkraftmaschine prädiktiv geregelt eingestellt werden. Prädiktive Regelkonzepte gehören zur Klasse der modellbasieren Regelungsverfahren und gestatten es im Allgemeinen, eine Vorhersage in die Zukunft für den Regelkreis zu machen, nämlich für einen sogenannten Prädiktionshorizont. Solche prädiktiven Regelkonzepte haben sich bewährt, da sie es erlauben, im Rahmen der Prädiktion des Systemverhaltens eine optimierte Regelung zu gestalten; diese kann bereits Informationen über zukünftiges Betriebsverhalten des Systems berücksichtigen. Dies führt dazu, dass Sollwertangaben sowie Randbedingungen für einen Regelkreis optimiert gestaltet und/oder eingehalten werden können. Insgesamt kann dadurch eine höhere Regelgüte und/oder ein schnellerer Regelvorgang erreicht werden. Es können komplexere Regelungsziele definiert werden und Begrenzungen in Stellgrößen oder physikalischen Größen des Systems systematisch berücksichtigt werden.
Problematisch bei solchen und anderen prädiktiven Regelkonzepten ist jedoch regelmäßig der vergleichsweise hohe Rechenaufwand, sodass sich prädiktive Regelkonzepte bislang allenfalls für Teilkomponenten eines Motors einer Brennkraftmaschine angeboten haben. Maßgeblich für den Erfolg eines prädiktiven Regelkonzeptes ist die Gestaltung eines geeigneten Modells der Teilkomponente eines Motors. Bislang war es insbesondere nicht möglich, optimierte prädiktive Regelkonzepte in Echtzeit auf einem Motorsteuergerät zur globalen Steuerung und Regelung der gesamten Brennkraftmaschine, z.B. auch uner Berücksichtigung einer Komponente einer Abgasnachbehandlung, mit geeigneten Güteanforderungen für die Regelung und in Echtzeit zu realisieren.
Soweit prädiktive Regelkonzepte für Dieselmotoren bekannt sind, beschränken sich diese auf stark vereinfachte Modelle eines Systems, das heißt insbesondere auf lediglich linearisierte Systemmodelle, die zudem statisch oder nur mit ungenügenden Zeitskalen, insbesondere Prozesszeiten und/oder Prozessskalen, gestaltet sind. Außerdem mangelt es den bisher bekannten prädiktiven Regelkonzepten an der Berücksichtigung von ausreichenden Randbedingungen – bislang kommt noch der ungenügende Einsatz von Kennfeldstrukturen zustande. Dies führt sowohl zu einem vergleichsweise hohen Aufwand zur Parametergewinnung der Kennfelder als auch dazu, dass diese Regelkonzepte vergleichsweise unflexibel sind, z.B. wenn eine Änderung der Brennkraftmaschine oder der Umweltbedingungen erfolgt ist. Kennfelder- und Korrekturfaktoren- basierte stark linearisierte Modelle für prädiktive Regelansätze ermöglichen deswegen keinen optimalen Betrieb des Gesamtsystems einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors.
An solchen und anderen Nachteilen leiden Regelkonzepte wie sie beispielsweise in DE 10 2011 013 481 A1 und EP 1 864 012 B1 offenbart sind.
So beschränkt sich DE 10 2011 013 481 A1 lediglich auf einen Teilaspekt eines Dieselmotors; nämlich ein Stellglied des Verbrennungsmotors, bei dem in Abhängigkeit von der Gesamtgasmasse, dem Sauerstoffgehalt, der Soll-Gesamtgasmasse und dem Soll-Sauerstoffgehalt das Stellglied eingestellt wird. Eine solche starke Reduzierung der Anzahl von Stellgliedern wird einem ganzheitlichen (globalen) prädiktiven Regelansatz für die gesamte Brennkraftmaschine nicht gerecht.
EP 1 864 012 B1 betrifft einen multivariablen modellprädiktiven Regler für Kraftstoff- und/oder Luft betreffende Parameter unter Berücksichtigung eines zentralen Optimierungsalghorithmus, der mit Zustands- und/oder Aktuatoreinschränkungen arbeitet. Außerdem ist das dort zugrunde gelegte übermäßige Heranziehen von Kennfeldstrukturen nachteilig für das Regelkonzept.
Wünschenswert wäre eine ganzheitliche modellbasierte prädiktive Regelung einer Brennkraftmaschine, die es erlaubt, die gesamte Brennkraftmaschine, vorzugsweise global, insbesondere unter Berücksichtigung von Komponenten einer Abgasnachbehandlung, im Rahmen eines modellbasierten prädiktiven Regelns in Echtzeit auf einem Motorsteuergerät (ECU) zu regeln. Dabei sollte das prädiktive Regelkonzept die Nichtlinearitäten des Systems der Brennkraftmaschine bzw. des Modells der Brennkraftmaschine berücksichtigen. Bislang erweisen sich nicht-lineare modellprädiktive Regler für ein Gesamtmodell einer Brennkraftmaschine aufgrund der größeren Komplexität als nicht echtzeitfähig auf einem Motorsteuergerät (ECU). Oben genannte stark vereinfachte Modelle sind dagegen nicht praxistauglich, jedenfalls nicht global über den gesamten Betriebsbereich.
An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, ein Verfahren zur prädiktiven Steuerung und/oder Regelung einer Brennkraftmaschine mit Stellgrößen unter Vorgabe eines Modells der Brennkraftmaschine mit kennzeichnenden Größen und eines Regelkreises für die Stellgrößen, oder der direkten Ansteuerung der Stellgrößen, anzugeben, wobei die kennzeichnenden Größen des Modells der Brennkraftmaschine in Echtzeit auf einem Motorsteuergerät für die gesamte Brennkraftmaschine (global) im Rahmen eines nicht-linearen modellbasierten prädiktiven Regelns erfolgen kann. Aufgabe der Erfindung ist es auch, eine entsprechende Einrichtung zum prädiktiven Steuern und Regeln sowie eine Brennkraftmaschine mit der Einrichtung anzugeben.
Betreffend des Verfahrens wird die Aufgabe durch die Erfindung mittels einem Verfahren des Anspruchs 1 gelöst. Bei dem Verfahren der eingangs genannten Art ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass

– die kennzeichnenden Größen unter Vorgabe eines Modells der Brennkraftmaschine mit den kennzeichnenden Größen und eines Regelkreises mit den Stellgrößen geregelt werden, wobei das Regeln im Rahmen eines modellbasierten prädikitiven Regelns erfolgt, bei dem die kennzeichnenden Größen des Modells der Brennkraftmaschine berechnet werden und die Stellgrößen der Brennkraftmaschine prädiktiv geregelt eingestellt werden,
– zum Regeln ein modellbasierter prädiktiver nichtlinearer Regler verwendet wird, der modular mit einer Anzahl von modellbasierten prädiktiven Regelmodulen aufgebaut ist, wobei
– wenigstens einem ersten modellbasierten prädiktiven Regelmodul eine erste Zeitskala, insbesondere schnellere Prozesszeit und/oder kürzere Prozessskala, zugeordnet ist, und
– wenigstens einem zweiten, vorzugsweise modellbasierten prädiktiven, Regelmodul eine zweite Zeitskala, insbesondere langsamere Prozesszeit und/oder längere Prozessskala, zugeordnet ist, wobei
– die wenigstens eine erste und wenigstens eine zweite Zeitskala, insbesondere Prozesszeit und/oder Prozessskala, unterschiedlich sind.

Das Konzept der Erfindung führt zur Lösung der Aufgabe betreffend eine Vorrrichtung auch auf eine Einrichtung zum prädiktiven Steuern und/oder Regeln der Brennkraftmaschine gemäß dem Anspruch 18 sowie auf eine Brennkraftmaschine gemäß dem Anspruch 19.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass bislang kein optimaler Betrieb eines Gesamtregelsystems für eine Brennkraftmaschine in Echtzeit auf einem Motorsteuergerät (ECU) realisiert werden konnte, da entweder modellbasierte prädiktive Regelkonzepte durch starke Vereinfachungen und/oder Linearisierungen unzureichend sind beziehungsweise über das Einbringen von Kennfeldern und Korrekturfaktoren zu unflexibel sind; theoretisch grundsätzlich bekannte modellprädiktive Regler für ein Gesamtmodell erweisen sich – ohne die oben genannten starken Vereinfachungen oder Einschränkungen – als nicht echzeitfähig.
Die Erfindung geht weiter von der Überlegung aus, dass unter Berücksichtigung der verfügbaren Rechenleistung von Reglern und Motorsteuergeräten (ECU) eine Echzeitfähigkeit dennoch erreicht werden kann, wenn man die im Gesamtsystem einer Brennkraftmaschine maßgeblichen Zeiskalen, insbesondere Prozesszeiten und/oder Prozessskalen, berücksichtigt. Die Erfindung hat, ausgehend von diesen Überlegungen erkannt, dass im Gesamtsystem einer Brennkraftmaschine unterschiedlich schnell und/oder lang ablaufende Prozesse vorhanden sind. Asugehend von dieser Erkenntnis schlägt das Konzept dieser Erfindung vor, das Gesamtsystem der Brennkraftmaschine beziehungweise das Modell der Brennkraftmaschine hinsichtlich der unterschiedlichen Zeitskalen, insbesondere Prozesszeiten und/oder Prozessskalen, einzelner Vorgänge zu modularisieren; bevorzugt die Module zeitlich hinsichtlich der Zeitskalen zu staffeln.
Ausgehend von dieser Erkenntnis schlägt die Erfindung deshalb einen modellbasierten prädiktiven nicht linearen Regler vor, der gleichwohl echtzeitfähig auf einem Motorsteuergerät ist, da dieser modular mit einer Anzahl von Reglermodulen aufgebaut ist, insbesondere mit einer Anzahl von modellbasierten prädiktiven Regelmodulen aufgebaut ist, wobei

– wenigstens einem ersten modellbasierten prädiktiven Regelmodul eine erste Zeitskala, insbesondere schnellere Prozesszeit und/oder kürzere Prozessskala, zugeordnet ist, und
– wenigstens einem zweiten, vorzugsweise modellbasierten prädiktiven, Regelmodul eine zweite Zeitskala, insbesondere langsamere Prozesszeit und/oder längere Prozessskala zugeordnet ist, wobei
– die wenigstens eine erste und wenigstens eine zweite Zeitskala, insbesondere Prozesszeit und/oder Prozessskala, unterschiedlich sind.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, das oben erläuterte Konzept im Rahmen der Aufgabenstellung zu sowie hinsichtlich weiterer Vorteile zu realisieren.
Vorzgusweise ist vorgesehen, dass

– zum Berechnen die kennzeichnende Größen eines globalen Modells der Brennkraftmaschine in Echtzeit auf einem Motorsteuergerät (ECU) für die gesamte Brennkraftmaschine im Rahmen eines nichtlinearen modellbasierten prädikitiven Regelns berechnet werden, und/oder
– auf Basis des globalen Modells der Brennkraftmaschine, insbesondere des Motors, Soll-Werte und Stellgrößen für das erste und/oder zweite Regelmodul bestimmt werden, welche einer aktuellen Betreibssituation im Sinne eines Gütemaßes angepasst werden.

Eine Weiterbeildung hat darüber hinaus erkannt, dass sich das Gesamtsystem einer Brennkraftmaschine beziehungsweise eines Modells der Brennkraftmaschine unter Betrachtung der relevanten Prozesse jedenfalls über ein erstes modellbasiertes prädiktives Regelmodul mit einer ersten Zeitskala, insbesondere Prozesszeit und/oder Prozessskala, und über ein zweites modellbasierten prädiktives Regelmodul mit einer zweiten Zeitskala, insbesondere Prozesszeit und/oder Prozessskala, beschreiben lässt, wobei die erste und zweite Zeitskala, insbesondere erste und zweite Prozesszeit und/oder Prozessskala, unterschiedlich sind. Insbesondere hat die Erfindung erkannt, dass für die erste Zeitskala, eine schnellere Prozesszeit beziehungsweise kürzere Prozessskala relevant ist und für die zweite Zeitskala eine zweite langsamere Prozesszeit beziehungsweise längere Prozessskala relevant ist.
Als eine bevorzugte Weiterbildung schlägt die Erfindung für eine Brennkraftmaschine die Modularisierung in Teilkomponenten bzw. in Teilmodelle vor, wobei die Brennkraftmaschine eine oder mehrere der folgenden Komponenten aufweist:

(i) einen eine Anzahl von Zylindern aufweisenden Motor, insbesondere mit einer vergleichsweise schnell ablaufenden Komponente der Verbrennung,
(ii) insbesondere ein ein Common-Rail aufweisendes Einspritzsystem mit einer Anzahl von den Zylindern zugeordneten Injektoren, wobei einem Injektor ein Einzelspeicher zugeordnet ist, der zum Vorhalten von Kraftstoff aus dem Common-Rail für den Injektor ausgebildet ist, insbesondere mit einer vergleichsweise schnell ablaufenden Komponente des Einspritzvorgangs, oder
(iii) insbesondere einen Gasmischer und einen Zündezeitpunktgeber, vorzugsweise für einen Gasmotor,
(iv) eine Gas- und Abgasführung, insbesondere eine Abgasrückführung, mit einem Gas- und Abgaspfad, vorzugsweise mit einer auf mittlerer Zeitskala und mittlerer Schnelligkeit ablaufenden Komponente des Gas- und Abgaspfades, nämlich beispielsweise mit einer vergleichsweise mittleren, eher langsamer, ablaufenden Komponente der maßgeblichen Massenströme,
(v) eine Abgasnachbehandlung, insbesondere mit einem Katalysator, vorzugsweise für eine vergleichsweise langsam ablaufenden Komponente eines Prozesses beispielsweise einer ersten langsamen Zeitskala von Temperaturänderungen in der Abgasnachbehandlung oder einer zweiten langsamen Zeitskala von Alterungsprozessen.

Die vorgenannten Komponenten mit Zeitskalen von (grob) hoher Schnelligkeit (i) und mittelhoher Schnelligkeit (ii, iii), mittlerer Schnelligkeit (iv) und die Komponenten vorgenannter eher langsameren Abläufen (v) finden sich in etwa auf einer Prozesszeit und/oder Prozessskala von Millisekunden (schnell), bzw. Sekunden (mittel), bzw. Minuten oder Stunden oder länger (langsam).
Im Rahmen einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Berechnung kennzeichnender Größen des ersten Regelmoduls für das Modell der Brennkraftmaschine im ersten modellbasierten prädiktiven Regelmodul abhängig von der Berechnung kennzeichnender Größen des zweiten Regelmoduls für das Modell der Brennkraftmaschine im zweiten, vorzugsweise modellbasierten prädiktiven, Regelmodul erfolgt. Die weitgehend zunächst unabhängige Berechnung in dem ersten und zweiten Regelmodul sowie gegebenenfall weiteren Regelmodulen ist gewährleistet letztlich aufgrund der Zeitskalen-Trennung und den von der Erfindung erkannten unterschiedlichen Zeitskalen, insbesondere Prozesszeiten und/oder Prozessskalen der Systemkomponenten, wie insbesondere der motorbasierten Verbrennung, dem einspritzsystembasierten Einspritzvorgangn, der gaspfadbasierten Gasbewegung und/oder den Temperatur- und Alterungs-Entwicklungen im Abgasnachbehandlungssystem bzw. Katalysator oder Partikelfiltersystem. Eien Abhängigkeit ist gleichwohl vorhanden und berücksichtgt vorzugsweise mittels Kopplungen oder dergleichen. So ist im Rahmen einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Berechnung kennzeichnender Größen des ersten Regelmoduls für das Modell der Brennkraftmaschine im ersten modellbasierten prädiktiven Regelmodul einer ersten Zeitskala, insbesondere schnelleren Prozesszeit und/oder kürzeren Prozessskala, unter Vorgabe von berechneten kennzeichnenden Größen des zweiten Regelmoduls für das Modell der Brennkraftmaschine im zweiten, vorzugsweise modellbasierten prädiktiven, Regelmodul einer zweiten Zeitskala, insbesondere langsameren Prozesszeit und/oder längeren Prozessskala, erfolgt. Diese Weiterbildung nutzt die Tatsache, dass schnellablaufende Prozesse einer schnellen Systemkomponente die Vorgaben der langsam ablaufenden Systemkomponente als „quasi-statische“ Randbedingungen berücksichtigen können. Dies reduziert Kopplungseffekte realistisch auf das Notwendige und beschränkt die Freiheitsgrade jedes Teilmoduls in ebenfalls realistischer Weise. Dies kann einher gehen mit einer Reduzierung der Anzahl von Stellgrößen – nämlich mittels einer Aufteilung derselben auf die Regelmodule, die jedoch aufgrund der Zeitskalentrennung realistisch ist und zur Echtzeitfähigkeit des gesamtheitlichen prädiktiven Regelansatzes beiträgt.
Bevorzugt ist, insbesondere für ein Motormanagement, dass
das erste modellbasierte prädiktive Regelmodul der ersten Zeitskala, insbesondere schnelleren Prozesszeit und/oder kürzeren Prozessskala, ein Regelmodul für den eine Anzahl von Zylindern aufweisenden Motor ist, insbesondere wobei verbrennungs-kennzeichnende Größen des Motors berechnet werden. Vorzugsweise werden für das Motormanagement Größen einer Verbrennung, nämlich eines NOx- und/oder Ruß-Wertes, und/oder kennzeichnende Größen, nämlich ein Lambda-Wert und/oder eine Abgasrückführrate, berechnet.
Bevorzugt ist, insbesondere für ein Einspritzmanagement, dass
das erste modellbasierte prädiktive Regelmodul der ersten Zeitskala, insbesondere schnelleren Prozesszeit und/oder kürzeren Prozessskala, ein Regelmodul umfasst für das ein Common-Rail aufweisendes Einspritzsystem mit einer Anzahl von den Zylindern zugeordneten Injektoren, wobei einem Injektor ein Einzelspeicher zugeordnet ist, der zum Vorhalten von Kraftstoff aus dem Common-Rail für den Injektor ausgebildet ist, wobei Injektion-kennzeichnende Größen des Einspritzsystems berechnet werden. Vorzugsweise werden für das Einspritzmanagement ein Spritzbeginn (BOI), ein Spritzende (SE) und/oder ein Raildruck (p-Rail) berechnet. Vorzugsweise werden für einen Gasmotor, ein Zündzeitpunkt und/oder eine Gasmasse berechnet.
Bevorzugt ist, insbesondere für ein Gas- und Abgasrückführmanagement, dass

– dem ersten modellbasierten prädiktiven Regelmodul der ersten Zeitskala, insbesondere schnelleren Prozesszeit und/oder kürzeren Prozessskala, ein Regelmodul für die Gas- und Abgasrückführung mit einem Gas- und Abgaspfad zeitlich gestaffelt nachgeordnet und/oder mit diesem zusammengefasst ist, wobei diesem modellbasierten prädiktiven Regelmodul für die Gas- und Abgasrückführung eine dritte Zeitskala, insbesondere mittelschnelle Prozesszeit und/oder mittelkurze Prozessskala, zugeordnet ist, wobei Gas- und Abgaspfad -kennzeichnende Größen der Gas- und Abgasführung berechnet werden. Vorzugsweise werden für das für das Gas- und Abgasrückführmanagement Größen einer Abgasrückführung berechnet, insbesondere einer Abgasrückführrate (AGN), einer oder mehrerer Drosselklappen (Stellung DK), einer oder mehrerer Spenderklappen (Stellung SK) und/oder einer oder mehrerer Turbinenbypasse (Rate TP), berechnet werden.

Bevorzugt ist, insbesondere für ein Abgasnachbehandlungs-Management, dass
das zweite modellbasierte prädiktive Regelmodul der zweiten Zeitskala, insbesondere langsameren Prozesszeit und/oder längeren Prozessskala, ein Regelmodul für die Abgasnachbehandlung (AGN), insbesondere mit einem Katalysator, ist, wobei abgasnachbehandlungs-kennzeichnende Größen der Abgasnachbehandlung, insbesondere mit einem Katalysator, berechnet werden, insbesondere eine Abgas- und/oder Katalysator Temperatur, eine Aufwärm/Abkühlrate und/oder eine Umsatzrate
Vorzugsweise werden, insbesondere infolge der unterschiedlichen Zeitskalen, insbesondere Prozesszeiten und/oder Prozessskalen, dem ersten Regelmodul Größen der Abgasnachbehandlung, nämlich eine Gas- und/oder Abgastemperatur, insbesondere ein Emissionswert von Stickoxiden oder sonstige Emissionswerte eines Katalysators, vorgegeben.
Im Rahmen einer Weiterbildung ermöglicht die Modularisierung, dass

– im ersten modellbasierten prädiktiven Regelmodul, insbesondere abhängig vom zweiten, vorzugsweise modellbasierten prädiktiven, Regelmodul, berücksichtigt werden:
– Rand- und/oder Umwelt- und/oder Alterungs-Bedingungen, der kennzeichnenden Größen der Brennkraftmaschine, und/oder
– Ist-Werte und Soll-Werte der kennzeichnenden Größen der Brennkraftmaschine, und/oder
– Schätzungen durch nichtlineare Beobachter, und/oder
– ein Optimierungsalgorithmus.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die kennzeichnenden Größen des Modells der Brennkraftmaschine des zweiten, vorzugsweise modellbasierten prädiktiven, Regelmoduls einer zweiten Zeitskala, insbesondere langsameren Prozesszeit und/oder längeren Prozessskala, dynamisch berechnet werden und die kennzeichnenden Größen des Modells der Brennkraftmaschine des ersten modellbasierten prädiktiven Regelmoduls einer ersten Zeitskala, insbesondere schnelleren Prozesszeit und/oder kürzeren Prozessskala, statisch berechnet werden.
Der Verbrennungsprozeß kann beispielsweise von Arbeitspiel zur Arbeitsspiel mit einem Stationärmodell ohne dynamische Anteile berechnet werden. Bei der Berechnung des Gaspfades kann beispielsweise die Dynamik der Klappen und Turbolader berücksichtigt werden. Zur besseren Ausnutzung der Rechenleistung kann besonders bevorzugt ein Berechnungsprozess eines prädiktiven nichtlinearen Reglers der Verbrennung in einer schnelleren Zykluszeit bzw. mit einer höheren Abtastrate eines Soll/Ist-Wert-Abgleichs durchlaufen werden; d.h. auf einer schnelleren Zeitskala umgesetzt werden und der Berechnungsprozeß des Gaspfades kann mit seiner eher aufwändigen Dynmik in einer langsameren Zykluszeit, d.h. auf einer längeren Zeitskala berchnet werden.
Insbesondere ist vorteilhaft vorgesehen, dass die statische Berechnung mittels nichtlinearer Polynome und die dynamische Berechung mittels eines Differentialgleichungsmodells erfolgt; insbesondere eines dynamischen Modells mittels Differentialgleichungen.
Zur Reduktion der Komplexität der Berechnungen kann dabei auch das dynamische Verhalten einer geregelten Komponente durch ein dynamisches Modell wiedergegeben werden, welches das zeitliche Verhalten von Regler und Teilkomponente zu einem Modell für das Verhalten der geregelten Komponente zusammenfaßt. Die Stellgrößen der Komponente können dann durch den dort vorteilhaft verwendeten klassischen Regeler berechnet werden. Das überlagerte Regelmodul kann dann Soll-Werte für das geregelte Teilsystem vorgeben. Überlagerte Berechnungen vereinfachen sich, da die Bestimmung der Stellgrößen dieser Teilkomponente nicht durch eine überlagerte Optimierung des Reglers sondern innerhalb der Teilkomponente erfolgt.
Mit besonderem Vorteil umfasst die Zuordnung unterschiedlicher Prozesszeiten und/oder Prozessskalen, die erste Zeitskala, insbesondere schnellere Prozesszeit und/oder kürzere Prozessskala, und/oder die zweite Zeitskala, insbesondere langsamere Prozesszeit und/oder längere Prozessskala, maßgeblich ist für die Festlegung einer zeitlichen Regelung gemäß einem der Paramter, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus: Zeitskala eines Regelungszeitraumes, Zeitschritt eines Regelintervalls, Abtastrate eines Soll/Ist-Wert-Abgleichs, Rechenzykluszeit eines Reglers und sonstige Berechnungsraten, Prädiktionshorizont. Auf diese Weise kann der Zeitablauf der jeweiligen Systemkomponente hinsichtlich Schnelligkeit und Dauer per Zeittaktung und Zeitskala und der weiteren genannten Paramter der Regelung angemessen berücksichtigt werden und dennoch eine Echtzeitfähigkeit auf einem Motorsteuergerät gewährleistet werden.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Diese soll die Ausführungsformen nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im folgenden gezeigten und beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein. Der Einfachheit halber sind nachfolgend für identische oder ähnliche Teile oder Teile mit identischer oder ähnlicher Funktion gleiche Bezugszeichen verwendet.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in:
1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Einrichtung zum prädiktiven Steuern und/oder Regeln der Brennkraftmaschine, deren prädiktiver Regler gemäß einer bevorzugten Zeitskalen-Trennung modularisiert ist;
2 eine Darstellung der in 1 entworfenen Zeitskalentrennung, wobei bevorzugte prädiktive Regelmodule der Einrichtung zum prädiktiven Steuern und/oder Regeln zeitlich gestaffelt sind;
3 eine schematische Darstellung eines Ersatzmodells für das modellbasierte prädiktive Regelmodul des Abgaspfads;
4 eine Darstellung des Prädiktionshorizonts mit Soll- und Ist-Werten für eine beispielhafte Stellgröße bei einer modellprädiktiven Regelung der 1;
5 eine Liste von Zuständen (kennzeichnende Größen), Messgrößen sowie weiteren Sollgrößen und/oder Schranken für kennzeichnende Größen (Randbedingungen), Stellgrößen und Stellgrößenbeschränkungen (Randbedingungen) für eine beispielhafte Regelbeschreibung einer prädiktiven modellbasierten nicht-linearen Regelung einer Brennkraftmaschine;
6 ein Beispiel eines Gütemaßes einer nicht-linearen modellbasierten prädiktiven Regelbeschreibung für eine Brennkraftmaschine, hier zunächst ohne Abgasnachbehandlung (selektiver katalytischer Reaktor, SCR);
6A ein Beispiel eines Gütemaßes einer nicht-linearen modellbasierten prädiktiven Regelbeschreibung für ein geeignetes Regelmodul betreffend die Abgasnachbehandlung (SCR)
6B ein Beispiel einer Kopplung der Regelbeschreibung der 6A mit einem übergeordneten modellbasierten prädiktiven Regelmodul des Motors in 6;
6C das Beispiel einer Regelbeschreibung für einen modellbasierten prädiktiven Regelansatz für einen Motor mit einer Abgasnachbehandlung unter ganzheitlicher Betrachtung.
1 zeigt schematisch den Aufbau einer Brennkraftmaschine 1000 mit einer Einrichtung 100 zum prädiktiven Steuern und/oder Regeln der Brennkraftmaschine 1000. Die Einrichtung 100 ist bei der Ausführungsform gemäß dem Konzept der Erfindung als ein Motorsteuergerät ECU gebildet und in der Lage, die gesamte Brennkraftmaschine 1000 ganzheitlich (global) modellbasiert prädiktiv zu steuern und/oder zu regeln. Die Einrichtung 100 weist im Rahmen eines nicht-linearen modellbasierten prädiktiven Regelansatzes ein Modell 10 der Brennkraftmaschine auf; hier mit kennzeichnenden Größen Gi, (i = 1, 2, 3) und einem Regelkreis hier für Stellgrößen SGi (i = 1, 2, 3) auf.
Das Modell 10 ist modularisiert und weist für eine Anzahl von modellbasierten prädiktiven nicht-linearen Regelmodulen 1, 2, 3 entsprechende modellbasierte prädiktive Regelmodule 11, 12, 13 im prädiktiven Regler 10 auf. Der prädiktive Regler 10 wird in Form von Optimierungsalgorithmen umgesetzt und unterstützt durch die Vorgabe von geeigneten Rand-, Umwelt-, oder Alterungsbedingungen der kennzeichnenden Größen Gi der Brennkraftmaschine; nämlich mittels der Bedingungen 20 oder Schätzungen durch nicht-lineare Beobachter 30. Auch die Bedingungen können entsprechend der Regelmodule 1, 2, 3 und den darin unterlagerten prädiktiven Reglern 11, 12, 13 modularisiert sein gemäß der – wie in 1 dargestellten – Aufteilung der Bedingungen 20 in modularisierte Bedingungsvorgaben 21, 22, 23 beziehungsweise modularisierte Beobachter 31, 32, 33 des Beobachtersystems 30.
Grundlage des Aufbaus des prädiktiven nicht-linearen Reglers 10 mit einer Anzahl von modellbasierten prädiktiven Regelmodulen 1, 2, 3 ist die Zeitskalentrennung, hier mit Prozesszeiten t1, t2, t3, (in 2 auch Zeitskalen Si und Zeitkonstanten Ti, (i = 1, 2, 3)) für unterschiedlich schnell ablaufende Komponenten der Brennkraftmaschine 1000 beziehungsweise der Prozesse in diesen Komponenten.
So ist einem ersten prädiktiven modellbasierten Regelmodul 1 eine erste schnellere Prozesszeit t1 auf vergleichsweise kurzer Zeitskala zugeordnet, einem zweiten modellbasierten prädiktiven Regelmodul 2 eine mittlere Prozesszeit t2 auf mittlerer Zeitskala zugeordnet und einem dritten modellbasierten prädiktiven Regelmodul 3 eine langsamere Prozesszeit t3 auf längerer Zeitskala zugeordnet.
Jedes der Regelmodule 1, 2, 3 berechnet kennzeichnende Größen G1, G2, G3 im Rahmen der modularisierten prädiktiven Regelung 11, 12, 13 unter Berücksichtigung eines Gütemaßes. Falls dabei Sollwerte eines unterlagerten Regler bestimmt werden, so wird dieser Soll- und Ist-Werte der kennzeichnenden Größen Gi-IST bzw. Gi-SOLL; (i = 1, 2, 3) einander angleichen. In anderen Fällen werden aus dem Reglermodul direkt Stellgrößen für die entsprechenden Stellglieder ausgegeben. Unter prädiktiver Berechnung entsprechender kennzeichnender Betriebsgrößen BGi (i = 1, 2, 3) werden dann Stellgrößen SGi (i = 1, 2, 3) für die unterschiedlich schnell reagierenden Komponenten der Brennkraftmaschine 1000 vorgegeben.
Die Brennkraftmaschine 1000 weist als Komponenten für den hier gewählten modularisierten, zeitlich gestaffelten, modellbasierten prädiktiven Regelansatz auf: eine Anzahl von Zylinder aufweisenden Motor 200 und einem dem Motor 200 zugeordnetes Einspritzsystem 500 mit einem Common-Rail, wobei der Anzahl von Zylindern Injektoren zugeordnet sind und jedem Injektor ein Einzelspeicher zugeordnet ist, der zum Vorhalten von Kraftstoff aus dem Common-Rail für den Injektor ausgebildet ist. Des Weiteren weist die Brennkraftmaschine als Komponente eine Gas- und Abgasführung für Ladelulft LL und Abgas AG auf, insbesondere mit einer hier nicht explizit dargestellten Abgasrückführung, wobei die Gas- und Abgasführung 300 einen entsprechenden Gas- und Abgaspfad aufweist. Des Weiteren weist die Brennkraftmaschine 1000 eine Abgasnachbehandlung 400 auf, die hier mit einem Dieselpartikelfilter DPF und einem selektiven katalytischen Reaktor SCR dargestellt ist.
Gemäß dem Konzept der Erfindung im Rahmen dieser besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, die Prozesse in den Komponenten des Motors 200 mit Einspritzsystem 500, nämlich als verbrennungsrelevante Komponente 111 sowie die massenstromrelevante Komponente 222 des Gas- und Abgaspfades 300 sowie die langsamste Komponente 333 betreffend Temperaturänderungen des Abgasnachbehandlungssystems 400 unterschiedlichen Prozesszeiten und/oder Prozeßskalen zuzuordnen; nämlich der ersten, schnelleren Prozesszeit t1, beziehungsweise der zweiten schnellen etwas langsameren Prozesszeit t2, beziehungsweise der langsamsten dritten Prozesszeit t3 (in etwa t1 = Millisekunden, t2 = Sekunden und t3 = Stunden).
2 zeigt dazu die vorgenannte Zeitskalentrennung im Rahmen des Verfahrens zur prädiktiven Steuerung und/oder Regelung der Brennkraftmaschine 1000 entsprechend der 1. Diese hier entworfene modellprädiktive Regelung erlaubt eine nicht-lineare Modellberücksichtigung und ist dennoch in der Lage auf einem Motorsteuergerät ECU in Echtzeit ausgeführt zu werden.
Dies wird erreicht durch die in 1 schematisch dargestellte geschickte Modularisierung des nicht-linearen modellbasierten prädiktiven Reglers 10 mit entsprechenden Regelprozessen, 11, 12, 13 und den zugeordneten prädiktiven Regelmodulen 1, 2, 3.
Diese sind in 2 als Regelprozesse 11, 12, 13 mit den Prozesszeiten t1, t2, t3 (Millisekunden, Sekunden, Minuten oder Stunden) dargestellt. Als Maßgabe für die Prozesszeiten t1, t2, t3 ist jedem Regelprozess 11, 12, 13 eine entsprechende Zeitkonstante Ti und Zeitskala Si (i = 1, 2, 3), nämlich für die verbrennungsspezifischen Prozesse im Motor (Regelmodul 1 mit Zeiten/auf einer Zeitskala/Zeitkonstante t1, S1, T1), die gasdynamischen Prozesse im Gaspfad (Regelmodul 2, mit Zeiten/auf einer Zeitskala/Zeitkonstante t2, S2, T2) und in der Abgasnachbehandlung (Regelmodul 3 mit Zeiten/auf einer Zeitskala/Zeitkonstante t3, S3, T3).
Beispiele der relevanten Stellgrößen SGi, (i=1,2,3) und Betriebsgrößen BGi, Gi (i=1,2,3) sind in 2 für die einzelnen Regelmodule 1, 2, 3 dargestellt. Der Einfachheit halber wird hier auf die 2 mit der Angabe der entsprechenden Soll- und Ist-Werte für die Betriebsgrößen BG1, G1 (M_Soll, n_Soll, PT_Soll, NOx_Soll_nachSCR) und Stellgrößen SG1 (p_Rail, BOI, m_ks), SG2 (u_TBP, u_Dr, u_AGR, u_SP) sowie SG3 (Doser) verwiesen. Des Weiteren ist in 2 auch die Vorgabe bestimmter Randbedingungen (n_max_ATL_HD, n_max_ATL_ND, T_max_Soll, T_Soll, p_max) gezeigt, die hier als Randbedingungen 21 für das erste Regelmodul aufgeführt sind und Randbedingungen (T7_Soll, NOx_Soll) gezeigt, die hier als Randbedingungen 22 für das zweite Regelmodul aufgeführt sind.
Im Rahmen dieser Ausführungsform ist das erste und zweite Regelmodul 1, 2 für ein Motormanagement 4 zusammengefasst, das mit einem Regelmodul 5 für die Abgasnachbehandlungsmanagement gekoppelt ist. Die Kopplung entsteht hier aufgrund der quasi-statischen Vorgaben aus dem dritten Regelmodul 3; dies mittels der Betriebskenngrößen G3-Soll – hier (Temperatur und NOx- und/oder Ruß-Werte vor der Abgasnachbehandlung).
Die hier vorgeschlagene bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die verbrennungskennzeichnende schnell ablaufende (t1)-Komponente des ersten prädiktiven Regelmoduls 1 als statisches Modell berücksichtigt werden kann über statische Polynome (MPC-Motor, Model Predictive Controlled Motor).
Betreffend die in 2 dargestellte Komponente 4 lassen sich statische Modelle für die Verbrennungsgrößen angeben, wie zum Beispiel für die NOx-Werte, Rußwerte, Momentenwerte, T7 (Temperatur AGN) und Spitzendruck. Weitere Größen wie die Drehzahlen für die Abgasturbolader nATL_HD und nATL_ND können durch Polynome oder auch andere Varianten beschrieben werden. Insbesondere Polynome haben als Eingangsgrößen die gemessenen motorischen Größen als IST-Werte, die Umweltbedingungen (T0, Feuchte, P0) und die Stellwerte der Verbrennung (BOI, Einspritzmenge, Raildruck) und die IST-Werte des unterlagerten Gaspfades (z.B. Lambda, AGR).
Die Eigenschaften der in 1 und 2 dargestellten Modularisierung ergeben sich für die Komponente 4 daraus, dass die statischen Verbrennungsmodelle und das Modell des dynamischen Verhaltens des geregelten Gaspfades ausgewertet werden. Unter einer statischen Verbrennung wird vor allem verstanden: wenn der Zylinder geschlossen ist, steht das Ergebnis der Verbrennung fest – nämlich durch die aktuellen Randbedingungen am Zylinder kann das Ergebnis der Verbrennung verändert werden. Durch die Beschreibung in Form von Polynomen kann das Verhalten der Verbrennung über den gesamten Bereich der Eingangsgrößen abgebildet werden.
Auch hier zeigt sich wieder, dass die Ausgangswerte des langsameren Regelmoduls 2 als quasi-statische Eingangswerte für das schnellere Regelmodul 1 gelten. Die Kopplung der Polynommodelle mit Gaspfadregler erfolgt über ein dynamisches Modell für das Verhalten des geregelten Gaspfades, das heißt über die Einflüsse der Abgasrückführrate und λ-Werte oder auch andere Werte-Paare, nämlich hier der Sollwerte derselben. Mittels einer Vorgabe an die Ziele des Systems: zum Beispiel Zielwert Emission, Erreichen-Soll-Moment/Drehzahl, minimaler Verbrauch, Beschränkungen Steller (zum Beispiel Einspritzdruck, Einspritzmenge), Beschränkungen innermotorischer Größen, die eingehalten werden müssen (zum Beispiel Spitzendruck, Drehzahl Turbolader).
Betreffend den Gaspfad können die Größen G nicht-statisch betrachtet werden, da sie sich über den zeitlichen Verlauf T2 ändern. Zur Vereinfachung der Komplexität kann aber mit einem Ersatzmodell des geregelten Gaspfades gerechnet werden. Der Vorteil besteht darin, dass das Optimierungsverfahren die Sollwerte für den Gaspfad bestimmen muss, aber nicht direkt die Stellgrößen für den Gaspfadsteller. Es ist möglich, das Verhalten des geregelten Gaspfades durch einfache Ersatzmodelle zu beschreiben. Damit werden die Rechnungen des Optimierungsverfahrens vereinfacht. Der Optimierer arbeitet mit dem Ersatzmodell und muss kein detailliertes Modell des Gaspfades rechnen (3).
Der Gaspfad kann also mit einem in 3 unterlagerten Regelkreis beschrieben werden. Der in 3 dargestellte Regler sieht als Soll-Werte von kennzeichnenden Größen die Abgasrückführrate und den zu erreichenden Lambda-Wert als SOLL-Werte vor. Als Stellgrößen sind hier vorgesehen eine oder mehrere der Abgasrückführklappe, der Spenderklappe, der Bypass-Klappe und der Ansaugdrossel durch ihren Klappenwinkel. Die Stellgrößen SG3 werden entsprechend der Differenz von SOLL- und IST-Werten G3-SOLL bzw. G3-IST eingeregelt unter Zugrundelegung eines Simulationsmodells des realen Motors. Das daraus abgeleitete Ersatzmodell für einen Optimierer 31, 32 berücksichtigt die im unteren Teil der 3 dargestellten Verläufe der Abgasrückführraten und der Lambda-Werte und die modellbasierten gerechneten Werte AGR-R bzw. Lambda-R.
Das Gaspfadmodell des Motors ist nicht-linear und besitzt im einfachsten Fall deutlich mehr als zehn Zustände, beispielsweise vierzehn Zustände. Als Vereinfachung kann hier bereits vorgesehen sein, dass die Klappendynamik im Einzelnen nicht dynamisch berücksichtigt wird und sämtliche Volumina zusammengefasst werden sowie womöglich statische Annahmen gemacht werden. Insofern reduziert der in 3 dargestellte geregelte Gaspfad das Modell auf ein System mit zwei Zuständen, die sich durch entkoppelte nicht-lineare Systeme beschreiben lassen. Dies führt zu einer massiven Reduktion des Rechenaufwandes bei der Berechnung der optimalen Stellgrößen. Außerdem besteht die Möglichkeit zum Austausch des in 3 gezeigten Reglers durch einen komplexeren Regler soweit dies erforderlich und möglich ist.
Damit wird in dem Modul MPC AGN (Komponente 5) die statischen Verbrennungsmodelle und das Modell des dynamischen Verhaltens der Temperaturdynamik ausgewertet. Da der Gaspfadregler auf einer viel langsameren Zeitskala operiert, wird hierfür dessen Dynamik vernachlässigt, sodass diese als Randbedingung im schnelleren Reglermodul 1 berücksichtigt wird. Die erhaltene Lösung muss eine erweiterte Form der grundlegenden Randbedingungen des untergeordneten Moduls MPC Motor erfüllen. Eine globale Lösung auf der großen Zeitskala der AGN, die alle Wünsche erfüllt, wäre aber mit sehr großem Rechenaufwand verbunden, da hierzu das große Zeitintervall mit der feinen zeitlichen Auflösung der kleineren Zeitskala des Gaspfades betrachtet werden müsste. Durch die gemäß dem Konzept der Erfindung vorgeschlagene Trennung der Zeitskalen wird der Einfluss der Stellgrößen auf unterschiedlichen Zeitskalen getrennt betrachtet. Dadurch kann jeweils mit der erforderlichen zeitlichen Auflösung und damit sehr effizient gerechnet werden.
Analog zum Gaspfad kann eine Abgasnachbehandlung, hier eine selektive katalytische Reaktion, durch einen entsprechenden typischen Regelkreis, wie er in 2 dargestellt ist, geregelt werden. Die in 2 dargestellte Regelung für die Abgasnachbehandlung (SCR-Regler) kann im Modul MPC AGN (Komponente 5) für eine Wirkungsgradadaption (η_SCR = η_SCR (T_SCRṁ_Abgas) zur Abgas Beriebskostenminimierung genutzt werden. Dazu kann es möglich sein, dass lediglich eine Betrachtung der langsameren Temperaturdynamik im Vergleich zur viel schnelleren Gaspfaddynamik erfolgt. Hier zeigt sich, dass die Umwelt und Randbedingungen in den einzelnen modularen prädiktiven Regelmodulen berücksichtigt werden können, ohne dass eine separate Kennfeldstruktur erforderlich wäre.
Sämtliche Umwelteinflüsse wie Außendruck, Außentemperatur und Luftfeuchte sind in den hinterlegten Teilmodellen der Regelmodule enthalten. Somit kann jeder Komponente des Gesamtsystems auf aktuelle Betriebssituationen richtig reagieren. Grundsätzlich sind keine separaten Kennfeldstrukturen zur Bestimmung der SOLL-Werte G-SOLL erforderlich. Die in 1 schematisch dargestellten Randbedingungen umfassen auch Modelladaptionen zur Anpassung von Abweichungen der einzelnen Motoren oder eine Motoralterung (Bezugszeichen 21 in 1).
Zur Umsetzung der vorgestellten Reglerstruktur wird ein numerisches Optimierungsverfahren eingesetzt; dies dient zur Bestimmung welcher Stellgrößenverlauf die Anforderungen an das geregelte System in der aktuellen Betriebssituation am besten erreichen kann; insbesondere prädiktiv über einen gewissen Zeitraum, der in die Zukunft reicht (Prädiktionshorizont) erreichen kann – ein Beispiel für eine Prädiktion beim ersten Regelmodul 1 ist in 4 gezeigt, etwa für einen Massenstrom in Motor oder eine Abgasrückführrate oder einen λ-Wert, die in der Grafik der 4 mit G bezeichnet ist.
Grundsätzlich wird mit unterlagerten Modellen anhand von Optimierungsproblemen eine bestmögliche Stellgröße ausgewählt. Die Stellgröße SG, iSG ist über dem Prädiktionshorizont optimal und hält die Randbedingungen ein, das heißt die zum Beispiel prädiktive Regelung weiß frühzeitig vom Erreichen der Spitzendruckgrenze und berücksichtigt dies. Als Hauptunterschiede zum klassischen Regler führt dies zu einer intuitiven Parametrierung der Regelung zu einer Austauschbarkeit der Modelle und Gütekriterien sowie Nebenbedingungen und zu einer expliziten Berücksichtigung von Beschränkungen – eine Stellgröße kann bezüglich mehrerer Abtastschritte optimal sein.
5 listet nun beispielhaft die relevante Zustände und Größen für eine in 2 dargestellte modellbasierte prädiktive Regelung.
6 gibt das Beispiel eines Gütemaßes einer nicht-linearen modellbasierten prädiktiven Regelbeschreibung für eine Brennkraftmaschine als Optimierungsproblem in integraler Form für das erste Regelmodul 1 (MPC Motor) in Kombination mit der Gaspfaddynamik im Regelmodul 2 – das heißt Komponente 4 – wieder.
6A gibt ein Beispiel des Gütemaßes einer nicht-linearen modellbasierten prädiktiven Regelbeschreibung für ein geeignetes Regelmodul als ein vereinfachtes integrales Problem wieder, das die Abgasnachbehandlung nicht berücksichtigt.
6B gibt ein Beispiel einer Kopplung der Regelbeschreibung der 6A mit einem übergeordneten modellbasierten prädiktiven Regelmodul des Motors in 6 und das Optimierungsproblem in integraler Form wieder für die Komponente 5 wieder.
6C gibt das Beispiel einer Regelbeschreibung für einen modellbasierten prädiktiven Regelansatz für einen Motor mit einer Abgasnachbehandlung unter ganzheitlicher Betrachtung wie das Beispiel in 6B, jedoch mit einer Abwandlung betreffend die SCR wieder.
Optimierungsprobleme der in 6 dargestellten Form sind können schlecht konditioniert sein, sodass trotz der geschickten Modularisierung keine Berechnung der Lösung auf dem Steuergerät erfolgen kann.
Daher werden die Nebenbedingungen insofern abgeschwächt, als dass lediglich sicherheitsrelevante Bedingungen wie zum Beispiel der maximale Spitzendruck oder die maximalen Turbolader-Drehzahlen als Ungleichungsbeschränkung eingehalten werden. Nicht sicherheitsrelevante Bedingungen wie zum Beispiel Ruß oder NOx-Werte werden aufgeweicht, das heißt sie werden wie das Drehmoment über ein großes Gewicht und einen quadratischen Term in die Kostenfunktion aufgenommen, das heißt zum Beispiel nach dem Prinzip der minimierten Fehlerquadrate für die NOx-Werte.
Diese Vorgehensweise erlaubt dem Optimierer, kurzzeitig ein wenig über oder unter dem Sollwert zu liegen, was mit dem Gewicht eingestellt werden kann. Dies ist von Vorteil, da der gewählte suboptimale MPC-Ansatz die zuletzt gefundene Stellgrößentrajektorie zur Reinitialisierung verwendet und es auf diese Weise zu einer Verbesserung der Lösung mit fortschreitender Zeit kommt. Dadurch sieht der Optimierer stets Verbesserungspotential und nähert sich dem eigentlichen Sollwert an, wie er es auch beim Drehmoment machen würde. Ohne diese Aufweichung müsste die initiale Stellgröße stets zu einer exakten Einhaltung des Sollwerts führen.
Die bisher vorgestellten Optimierungsprobleme sind als Beispiele aufzufassen. Es sind beliebig viele andere Formulierungen denkbar. Zum Beispiel kann statt der Momente auch eine Drehzahlabweichung minimiert werden – in diesem Fall spricht man von einem Drehzahlregler anstatt eines Momentenreglers. Dazu kann eine vergleichsweise komplexe Lastmodellschätzung genutzt werden, wobei der Schätzer die Parameterdrehzahldifferenzialgleichung schätzt. Eine verbesserte Planung der Ressourcen kann erfolgen, da das Sollmoment nicht durch einen übergeordneten PI-Drehzahlregler vorgegeben wird, dessen zukünftige Momentenwünsche unbekannt sind. Die Reglerparametrierung ist dadurch intuitiv, da sie sich in erster Linie durch die Gewichtung der Regelziele ergibt.
Als weitere Feedback-Größe gibt es noch die Möglichkeit, die Stellgrößenschranken für die MPC-Blöcke anzupassen. Erkennt beispielsweise der Gaspfadregler, dass die Turbobypassklappe nicht mehr funktioniert, gibt er den MPC-Blöcken weiter, in welchen Bereichen sich überhaupt noch λ variieren lässt. Allgemeiner können über Modulare Strukturen und Modelle online Änderungen der Motorkonfiguration durch Fehler/Alterung/etc bei der Regelung berücksichtigt werden, wenn diese von einem Diagnoseverfahren erkannt werden.
Des Weiteren kann in einem Modul eine Bankabschaltung berücksichtigt werden. So können parallele Modelle für beide Varianten rechnen und aktuell ungünstigere Varianten in Zeitintervallen berechnen sowie mit aktuell günstigeren Varianten abgleichen im Rahmen einer Kostenfunktion und dann auf die günstigere Variante umschalten. Generell können solche Verhalten auch im Rahmen von Polynommodellen oder sonstigen statischen Modellen berücksichtigt werden.
Alternativ, aber ein wenig aufwändiger, erfolgt eine Umschaltung im System für die Bankabschaltung. Die Rechnung der Optimierung erfolgt mit der aktuell verwendeten Konfiguration und in regelmäßigen Abständen wird mit anderen Modellvarianten verglichen. Falls die Kosten (Methode der minnimierten Abweichungsquadrate) für die andere Variante geringer sind als die aktuell verwendete, dann wird die Umschaltung vorgenommen. Wenn die erforderlichen Messgrößen vorliegen, kann eine Adaption der verwendeten Modelle an das reale Systemverhalten vorgenommen werden. Das System kann diese Änderungen auch bei der Prädiktion berücksichtigen.
Zusammengefasst ergeben sich Vorteile, z.B. beim Umschalten des Turboladers, beim Berücksichtigen der Stellerdynamik, z.B. im Rahmen eines Raildruckmodells. Beim geregelten Gaspfad kann sich vorteilhaft z.B. ergeben: Reduktion der Freiheitsgrade, reduzieren der Anzahl der Stellgrößen, einer verbesserte Möglichkleit physikalisch mögliche Grenzen mitzuteilen sowie Änderungen betreffend Modelladaptionen, Alterungen, Modellabweichungen umzusetzen. Die Prädiktion bringt Möglichkeiten einer leichteren Übertragbarkeit auf andere Systeme (Benzin, Gas, o.a. Motoren) mit sich und einen verringerten Bedatungsaufwand.
Komplexere klassische Strukturen können also mit den genannten Vorteilen durch kombinierte Module ersetzt werden gemäß dem Konzept der Erfindung; auch ohne aufwändige Vermessung bei vorliegenden Modellen.
Bezugszeichenliste

1000: Brennkraftmaschine
100: Einrichtung zum prädiktiven Steuern und/oder Regeln
10: Modell
200: Motor
300: Abgas-/Gas-Pfad
400: Abgasnachbehandlungssystem
500: Einspritzsystem
600: Antriebsstrang
11, 12, 13: Regler
10: prädiktiver Regler
20: Bedingungen
30: Beobachter
21, 22, 23: modularisierte Bedingungsvorgaben
31, 32, 33: modularisierte Beobachter
1, 2, 3: prädiktiven Regelmodulen
t1, t2, t3, T, S: Prozesszeiten und/oder Prozessskalen
1, 2, 3: Regelmodule
G1, G2, G3: kennzeichnende Größen
BG1, BG2, BG3: Betriebsgrößen
SG1, SG2, SG3: Stellgrößen
LL: Ladelulft
AG: Abgas
DPF: Dieselpartikelfilter
111: verbrennungsrelevante Komponente
222: massenstromrelevante Komponente
333: Temperatur/Alterungs-relevante Komponente des AGN
31, 32: Optimierer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102011013481 A1 [0005, 0006]
EP 1864012 B1 [0005, 0007]

Claims

Verfahren zur prädiktiven Steuerung und/oder Regelung einer Brennkraftmaschine mit Stellgrößen unter Vorgabe eines Modells der Brennkraftmaschine mit kennzeichnenden Größen und eines Regelkreises für die Stellgrößen, wobei – in dem Verfahren die Stellgrößen der Brennkraftmaschine geregelt oder gesteuert eingestellt werden und das Verfahren die Schritte aufweist: – Messung von Ist-Werten und Vorgabe von Soll-Werten der kennzeichnenden Größen der Brennkraftmaschine, sowie optional in Abhängigkeit von Rand- und/oder Umwelt- und/oder Alterungs-Bedingungen, dadurch gekennzeichnet, dass – die kennzeichnenden Größen unter Vorgabe eines Modells der Brennkraftmaschine mit den kennzeichnenden Größen und eines Regelkreises mit den Stellgrößen geregelt werden, wobei das Regeln im Rahmen eines modellbasierten prädikitiven Regelns erfolgt, bei dem die kennzeichnenden Größen des Modells der Brennkraftmaschine berechnet werden und die Stellgrößen der Brennkraftmaschine prädiktiv geregelt eingestellt werden, – zum Regeln ein modellbasierter prädiktiver nichtlinearer Regler verwendet wird, der modular mit einer Anzahl von modellbasierten prädiktiven Regelmodulen aufgebaut ist, wobei – wenigstens einem ersten modellbasierten prädiktiven Regelmodul eine erste Zeitskala, insbesondere schnellere Prozesszeit und/oder kürzere Prozessskala, zugeordnet ist, und – wenigstens einem zweiten, vorzugsweise modellbasierten prädiktiven, Regelmodul eine zweite Zeitskala, insbesondere langsamere Prozesszeit und/oder längere Prozessskala, zugeordnet ist, wobei – die wenigstens eine erste und wenigstens eine zweite Zeitskala, insbesondere Prozesszeit und/oder Prozessskala, unterschiedlich sind.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass – zum Berechnen die kennzeichnende Größen eines globalen Modells der Brennkraftmaschine in Echtzeit auf einem Motorsteuergerät (ECU) für die gesamte Brennkraftmaschine im Rahmen eines nichtlinearen modellbasierten prädikitiven Regelns berechnet werden, und/oder – auf Basis des globalen Modells der Brennkraftmaschine, insbesondere des Motors, Soll-Werte und Stellgrößen für das erste und/oder zweite Regelmodul bestimmt werden, welche einer aktuellen Betreibssituation im Sinne eines Gütemaßes angepasst werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass – die Berechnung kennzeichnender Größen des ersten Regelmoduls für das Modell der Brennkraftmaschine im ersten modellbasierten prädiktiven Regelmodul abhängig von der Berechnung kennzeichnender Größen des zweiten Regelmoduls für das Modell der Brennkraftmaschine im zweiten, vorzugsweise modellbasierten prädiktiven, Regelmodul erfolgt, und/oder – die Berechnung kennzeichnender Größen des ersten Regelmoduls für das Modell der Brennkraftmaschine im ersten modellbasierten prädiktiven Regelmodul einer ersten Zeitskala, insbesondere schnelleren Prozesszeit und/oder kürzeren Prozessskala, unter Vorgabe von berechneten kennzeichnenden Größen des zweiten Regelmoduls für das Modell der Brennkraftmaschine im zweiten, vorzugsweise modellbasierten prädiktiven, Regelmodul einer zweiten Zeitskala, insbesondere langsameren Prozesszeit und/oder längeren Prozessskala, erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass, insbesondere für ein Motormanagement, das erste modellbasierte prädiktive Regelmodul der ersten Zeitskala, insbesondere schnelleren Prozesszeit und/oder kürzeren Prozessskala, ein Regelmodul für den eine Anzahl von Zylindern aufweisenden Motor ist, insbesondere wobei verbrennungs-kennzeichnende Größen des Motors berechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass für das Motormanagement – Größen einer Verbrennung, nämlich eines NOx- und/oder Ruß-Wertes, und/oder – kennzeichnende Größen, nämlich ein Lambda-Wert und/oder eine Abgasrückführrate, berechnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass, insbesondere für ein Einspritzmanagement, das erste modellbasierte prädiktive Regelmodul der ersten Zeitskala, insbesondere schnelleren Prozesszeit und/oder kürzeren Prozessskala, ein Regelmodul umfasst für das ein Common-Rail aufweisendes Einspritzsystem mit einer Anzahl von den Zylindern zugeordneten Injektoren, wobei einem Injektor ein Einzelspeicher zugeordnet ist, der zum Vorhalten von Kraftstoff aus dem Common-Rail für den Injektor ausgebildet ist, wobei Injektion-kennzeichnende Größen des Einspritzsystems berechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass, für das Einspritzmanagement ein Spritzbeginn (BOI), ein Spritzende (SE) und/oder ein Raildruck (p-Rail) berechnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass, insbesondere für einen Gasmotor, ein Zündzeitpunkt und/oder eine Gasmasse berechnet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass, insbesondere für ein Gas- und Abgasrückführungsmanagement, – dem ersten modellbasierten prädiktiven Regelmodul der ersten Zeitskala, insbesondere schnelleren Prozesszeit und/oder kürzeren Prozessskala, ein Regelmodul für die Gas- und Abgasrückführung mit einem Gas- und Abgaspfad zeitlich gestaffelt nachgeordnet und/oder mit diesem zusammengefasst ist, wobei diesem modellbasierten prädiktiven Regelmodul für die Gas- und Abgasrückführung eine dritte Zeitskala, insbesondere mittelschnelle Prozesszeit und/oder mittelkurze Prozessskala, zugeordnet ist, wobei Gas- und Abgaspfad -kennzeichnende Größen der Gas- und Abgasführung berechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass für das Gas- und Abgasrückführmanagement Größen einer Abgasrückführung berechnet werden, insbesondere einer Abgasrückführrate (AGN), einer oder mehrerer Drosselklappen (Stellung DK), einer oder mehrerer Spenderklappen (Stellung SK) und/oder einer oder mehrerer Turbinenbypasse (Rate TP), berechnet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere für ein Abgasnachbehandlungs-Management, das zweite modellbasierte prädiktive Regelmodul der zweiten Zeitskala, insbesondere langsameren Prozesszeit und/oder längeren Prozessskala, ein Regelmodul für die Abgasnachbehandlung (AGN), insbesondere mit einem Katalysator, ist, wobei abgasnachbehandlungs-kennzeichnende Größen der Abgasnachbehandlung, insbesondere mit einem Katalysator, berechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass für das Abgasnachbehandlungs-Management Größen der Abgasnachbehandlung und/oder eines Katalysators berechnet werden, nämlich eine Abgas- und/oder Katalysator Temperatur, eine Aufwärm/Abkühlrate und/oder eine Umsatzrate.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten Regelmodul Größen der Abgasnachbehandlung, nämlich eine Gas- und/oder Abgastemperatur, insbesondere ein Emissionswert von Stickoxiden oder sonstige Emissionswerte eines Katalysators, vorgegeben werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass – im ersten modellbasierten prädiktiven Regelmodul, insbesondere abhängig vom zweiten, vorzugsweise modellbasierten prädiktiven, Regelmodul, berücksichtigt werden: – Rand- und/oder Umwelt- und/oder Alterungs-Bedingungen, der kennzeichnenden Größen der Brennkraftmaschine, und/oder – Ist-Werte und Soll-Werte der kennzeichnenden Größen der Brennkraftmaschine, und/oder – Schätzungen durch nichtlineare Beobachter, und/oder – ein Optimierungsalgorithmus.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die kennzeichnenden Größen des Modells der Brennkraftmaschine des zweiten, vorzugsweise modellbasierten prädiktiven, Regelmoduls einer zweiten Zeitskala, insbesondere langsameren Prozesszeit und/oder längeren Prozessskala, dynamisch berechnet werden und die kennzeichnenden Größen des Modells der Brennkraftmaschine des ersten modellbasierten prädiktiven Regelmoduls einer ersten Zeitskala, insbesondere schnelleren Prozesszeit und/oder kürzeren Prozessskala, statisch berechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, dass die statische Berechnung mittels nichtlinearer Polynome und die dynamische Berechung mittels eines Differentialgleichungsmodells erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16 dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zeitskala, insbesondere schnellere Prozesszeit und/oder kürzere Prozessskala, und/oder die zweite Zeitskala, insbesondere langsamere Prozesszeit und/oder längere Prozessskala, maßgeblich ist für die Festlegung einer zeitlichen Regelung gemäß einem der Paramter, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus: Zeitskala eines Regelungszeitraumes, Zeitschritt eines Regelintervalls, Abtastrate eines Soll/Ist-Wert-Abgleichs, Rechenzykluszeit eines Reglers und sonstige Berechnungsraten, Prädiktionshorizont.
Einrichtung zum prädiktiven Steuern und/oder Regeln einer Brennkraftmaschine, mit wenigstens einem ersten modellbasierten prädiktiven Regelmodul und einem zweiten, vorzugsweise modellbasierten prädiktiven, Regelmodul; – insbesondere für ein Motormanagement und/oder ein Einspritzmanagemen und/oder ein Gas- und Abgasrückführmanagement und/oder ein Absgasnachbehandlungs-Management, – die ausgebildet sind zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 17, – insbesondere wobei dem ersten modellbasierten prädiktiven Regelmodul und/oder zweiten, vorzugsweise modellbasierten prädiktiven, Regelmodul ein Steuerkennfeld und/oder ein Lernkennfeld zugeordnet ist.
Brennkraftmaschine mit einer Einrichtung zum prädiktiven Steuern und/oder Regeln der Brennkraftmaschine nach Anspruch 18, insbesondere einem Motorsteuergerät (ECU) für die gesamte Brennkraftmaschine zur Steuerung und/oder Regelung, im Rahmen eines nichtlinearen modellbasierten prädikitiven Regelns unter Vorgabe eines Modells der Brennkraftmaschine mit kennzeichnenden Größen und eines Regelkreises für die Stellgrößen, dadurch gekennzeichnet, dass, die Einrichtung, insbesondere das Motorsteuergerät, zur Auführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 17 ausgebildet ist, wobei – die kennzeichnenden Größen unter Vorgabe eines Modells der Brennkraftmaschine mit den kennzeichnenden Größen und eines Regelkreises mit den Stellgrößen geregelt werden, wobei das Regeln im Rahmen eines modellbasierten prädikitiven Regelns erfolgt, bei dem die kennzeichnenden Größen des Modells der Brennkraftmaschine berechnet werden und die Stellgrößen der Brennkraftmaschine prädiktiv geregelt eingestellt werden, – zum Regeln ein modellbasierter prädiktiver nichtlinearer Regler verwendet wird, der modular mit einer Anzahl von modellbasierten prädiktiven Regelmodulen aufgebaut ist, wobei – wenigstens einem ersten modellbasierten prädiktiven Regelmodul eine erste Zeitskala, insbesondere schnellere Prozesszeit und/oder kürzere Prozessskala, zugeordnet ist, und – wenigstens einem zweiten, vorzugsweise modellbasierten prädiktiven, Regelmodul eine zweite Zeitskala, insbesondere langsamere Prozesszeit und/oder längere Prozessskala, zugeordnet ist, wobei – die wenigstens eine erste und wenigstens eine zweite Zeitskala, insbesondere Prozesszeit und/oder Prozessskala, unterschiedlich sind.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 18 dadurch gekennzeichnet, dass, die Brennkraftmaschine aufweist: – einen eine Anzahl von Zylindern aufweisenden Motor, insbesondere mit einem ein Common-Rail aufweisenden Einspritzsystem mit einer Anzahl von den Zylindern zugeordneten Injektoren, wobei einem Injektor ein Einzelspeicher zugeordnet ist, der zum Vorhalten von Kraftstoff aus dem Common-Rail für den Injektor ausgebildet ist, oder insbesondere einen Gasmischer und einen Zündezeitpunktgeber, – eine Gas- und Abgasrückführung mit einen Gas- und Abgaspfad, – eine Abgasnachbehandlung, insbesondere mit einem Katalysator.