DE102016205241A1

DE102016205241A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einem variablen Einspritzprofil

Info

Publication number: DE102016205241A1
Application number: DE102016205241.1A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Fischer; Matthias Bitzer; Stefan Grodde; Pilipp Kotman; Thomas Makowicki
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-03-30
Filing date: 2016-03-30
Publication date: 2017-10-05
Also published as: CN108884772A; EP3436681A1; WO2017167561A1; EP3436681B1; CN108884772B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (1) durch Vorgabe eines Einspritzprofils, das durch angepasste Einspritzparameter ) definiert ist, mit folgenden Schritten: – Ermitteln von stationären Einspritzparametern (ue,k) anhand eines vorgegebenen Stationär-Einspritzprofilkennfelds; – Ermitteln von Korrektur-Einspritzparametern (Δue,k) anhand eines vorgegebenen Korrektureinspritzparametermodells, das Korrektur-Einspritzparameter (Δue,k) abhängig von einer oder mehreren Zustandsgrößen eines Luftzuführungssystems (3) und/oder Abgasabführungssystem (4) des Verbrennungsmotors (1) bereitstellt; – Beaufschlagen der stationären Einspritzparameter (ue,k) mit den Korrektureinspritzparametern (Δ(ue,k), um die angepassten Einspritzparameter ) zu erhalten.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft Verbrennungsmotoren, insbesondere Verbrennungsmotoren, bei denen Kraftstoff gemäß einem vorgegebenen Einspritzprofil mit einer oder mehreren Voreinspritzungen und einer oder mehreren Haupteinspritzungen betrieben werden kann. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Maßnahmen zum Anpassen des Einspritzprofils im transienten Motorbetrieb.
Technischer Hintergrund
Die Einspritzung von Kraftstoff in den Zylinder eines Verbrennungsmotors kann in einer oder mehreren Vor- und einer oder mehreren Haupteinspritzungen entsprechend eines vorgebbaren Einspritzprofils vorgenommen werden. Das Einspritzprofil kann durch Kennfelder in Abhängigkeit von z. B. der aktuellen Motordrehzahl und der angeforderten Last des Verbrennungsmotors vorgegeben werden.
Im dynamischen Motorbetrieb folgen die Zustandsgrößen des Luftsystems des Verbrennungsmotors in der Regel nur verzögert den entsprechenden Sollwerten der Luftsystemregelung. Da das Einspritzprofil in der Regel unmittelbar abhängig von der angeforderten Last des Verbrennungsmotors verändert wird, ist das Einspritzprofil somit nicht ideal an die sich verzögert ändernden Luftsystembedingungen und die daraus resultierende Zylinderfüllung angepasst. Dies kann zu erhöhten Schadstoffemissionen führen.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit mindestens einer Vor- und mindestens einer Haupteinspritzung von Kraftstoff während eines Verbrennungstaktes gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung und ein Motorsystem gemäß den nebengeordneten Ansprüchen vorgesehen.
Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors durch Vorgabe eines Einspritzprofils vorgesehen, das durch angepasste Einspritzparameter definiert ist. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

– Ermitteln von stationären Einspritzparametern anhand eines vorgegebenen Stationär-Einspritzprofilkennfelds;
– Ermitteln von Korrektur-Einspritzparametern anhand eines vorgegebenen Korrektureinspritzparametermodells, das Korrektureinspritzparameter abhängig von einer oder mehreren Zustandsgrößen eines Luftzuführungssystems des Verbrennungsmotors bereitstellt;
– Beaufschlagen der stationären Einspritzparameter mit den Korrektureinspritzparametern, um die angepassten Einspritzparameter zu erhalten.

Die Anpassung des Einspritzprofils für den Betrieb eines Verbrennungsmotors in Abhängigkeit von den sich ändernden Zustandsgrößen des Luftsystems im dynamischen Betrieb wird in der Regel nicht oder nur für einzelne Einspritzparameter eines Einspritzprofils durchgeführt. Eine Idee des obigen Verfahrens besteht darin, das Verhalten des Verbrennungsmotors in dynamischen Betriebssituationen durch Vorgabe von angepassten Einspritzparametern zu verbessern, wobei inhärent beachtet wird, dass das vom Verbrennungsmotor generierte Moment oder der indizierte Mitteldruck oder das durch die Verbrennung generierte „innere” Motormoment jeweils unverändert bleibt.
Insgesamt sieht das obige Verfahren vor, den Verbrennungsprozess während eines Arbeitstaktes des Verbrennungsmotors (Gaswechsel, Kompression und Verbrennung) zu modellieren, abhängig von den mit dem Modell vorhergesagten Motorausgangsgrößen (Emissionen, generiertes Motormoment, ...) eine Korrektur eines oder mehrerer der Einspritzparameter des Einspritzprofils zu bestimmen und das im stationären Betriebszustand zugeordnete Einspritzprofil entsprechend der Korrektur anzupassen. Dadurch kann auch im dynamischen Betrieb des Verbrennungsmotors der Einfluss der Trägheit des Luftsystems auf die Verbrennung berücksichtigt werden. Die Korrektur der Einspritzparameter wird mittels eines Korrektureinspritzparametermodells, das durch eine optimierungsbasierte Inversion eines Verbrennungszyklusmodells unter Berücksichtigung des dynamischen Verhaltens des Luftsystems gebildet werden kann, vorgenommen. Durch die explizite Modellierung des Beitrags, den die einzelnen Verbrennungszyklusphasen (Gaswechsel, Kompression und Verbrennung) zum indizierten Mitteldruck bzw. dem generierten Motormoment des gesamten Arbeitsspiels beisteuern, kann insbesondere eine momentenneutrale Anpassung der Einspritzparameter erreicht werden. Die momentenneutrale Anpassung der Einspritzparameter wird durch eine Gleichungsnebenbedingung bei der Formulierung des Optimierungsproblems erreicht.
Weiterhin können die Korrektur-Einspritzparameter durch Invertieren eines vorgegeben Verbrennungszyklusmodell als das Korrektureinspritzparametermodell mithilfe eines Optimierungsverfahrens bestimmt werden, wobei das Verbrennungszyklusmodell einem kombiniert physikalisch/datenbasierten Modell zur Beschreibung von physikalischen Vorgängen in einem Zylinder des Verbrennungsmotors entsprechen kann. Insbesondere kann das kombiniert physikalisch/datenbasierte Modell eine kurbelwinkelaufgelöste Beschreibung der Gaswechsel- und Kompressionsphase sowie eine datenbasierte Approximation der Verbrennung, z. B. mittels eines datenbasierten nicht-parametrischen Modells, insbesondere eines Gauß-Prozess-Modells, oder eines neuronalen Netzes, umfassen.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Optimierungsverfahren zur Optimierung einer oder mehrerer Schadstoffemissionen (Ruß, NOx, ...) oder eines Kraftstoffverbrauchs insbesondere mit jeweils individuell anpassbaren Gewichtungen durchgeführt werden. Durch die Wahl der Randbedingung des Optimierungsverfahrens zur Optimierung kann gewährleistet werden, dass das generierte Motormoment bzw. der indizierte Mitteldruck des Arbeitsspiels konstant bleibt.
Alternativ kann das Korrektureinspritzparametermodell mithilfe eines offline gelernten vorgegebenen datenbasierten nicht-parametrischen Modells, insbesondere eines Gauß-Prozess-Modells, oder einem neuronalen Netz vorgegeben werden. Das beschriebene Optimierungsverfahren zur Optimierung wird dabei in gleicher Weise offline für eine repräsentative Variation der nicht mit dem Einspritzsystem verknüpften Eingangsgrößen (Luftsystemeingangsgrößen, Raildruck und Motordrehzahl) gelöst. Das Ergebnis der Optimierung, die Korrektur-Einspritzparameter, wird in Abhängigkeit der zuvor variierten Eingangsgrößen in dem oben erwähnten datenbasierten nicht-parametrischen Modell abgelegt.
Es kann vorgesehen sein, dass für das Korrektureinspritzparametermodell relevante Eingangsgrößen eine oder mehrere der folgenden Größen umfassen:

– einen Gasdruck, eine Gastemperatur und eine Sauerstoffkonzentration in einem Einlasskrümmer des Verbrennungsmotors,
– einen Gasdruck, eine Gastemperatur und eine Sauerstoffkonzentration in einem Auslasskrümmer des Verbrennungsmotors,
– einen Kraftstoffdruck,
– eine Motordrehzahl,
– ein Sollmoment oder einen Soll-Mitteldruck (indiziert) IMEP des Arbeitsspiels.

Weiterhin können eine oder mehrere der Eingangsgrößen des Korrektureinspritzparametermodells abhängig von einem Unterschied eines oder mehrerer tatsächlicher, d. h. gemessener Verbrennungsmerkmale einer Verbrennung in dem Zylinder des Verbrennungsmotors von einem oder mehreren modellierten Verbrennungsmerkmalen einer Verbrennung in dem Zylinder des Verbrennungsmotors korrigiert werden. Insbesondere kann die Korrektur der Eingangsgrößen für das Korrektureinspritzparametermodell anhand des Vergleichs vorhergesagter und gemessener Verbrennungsmerkmale vorgenommen werden.
Insbesondere können das eine oder die mehreren modellierten Verbrennungsmerkmale basierend auf mindestens einem Teil der Eingangsgrößen für das Korrektureinspritzparametermodell und zusätzlich den angepassten Einspritzparametern gemäß einem Verbrennungszyklusmodell ermittelt werden, das insbesondere mithilfe eines datenbasierten nicht-parametrischen Modells, insbesondere eines Gauß-Prozess-Modells, vorgegeben ist.
Der Kern des Verbrennungszyklusmodells zur Berechnung der Verbrennungsmerkmale kann prinzipiell identisch mit dem des Korrektureinspritzparametermodells sein, d. h. physikalisch/datenbasierte Modellstruktur zur Beschreibung der Gaswechsel-, Kompressions- und Verbrennungsphase. Innerhalb des Korrektureinspritzparametermodells werden die Modelle der Verbrennungsphase anhand einer Gütefunktion, die aus den entsprechenden Vorhersagewerten für Emissionen usw. gebildet wird, hinsichtlich der Korrektureinspritzparameter optimierungsbasiert invertiert. Die Randbedingungen dieser Inversion per Optimierung werden dabei von den Modellen der Gaswechsel- und Kompressionsphase geliefert. Für die Vorhersage der Verbrennungsmerkmale besteht der Unterschied hinsichtlich der Modellstruktur lediglich darin, dass bestimmte Verbrennungsmerkmale geschätzt werden und das zugrundeliegende Modell nicht invertiert wird. Zur Berechnung der Verbrennungsmerkmale muss somit ebenfalls die Gaswechsel- und Kompressionsphase berechnet werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung, insbesondere Steuereinheit, zum Betreiben eines Verbrennungsmotors in einem Motorsystem durch Vorgabe eines Einspritzprofils, das durch angepasste Einspritzparameter definiert ist, vorgesehen, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um:

– stationäre Einspritzparameter anhand eines vorgegebenen Stationär-Einspritzprofilkennfelds zu ermitteln;
– Korrektur-Einspritzparameter anhand eines vorgegebenen Korrektureinspritzparametermodells, das Korrektur-Einspritzparameter abhängig von einer oder mehreren Zustandsgrößen eines Luftzuführungs- und/oder Abgasabführungssystems des Verbrennungsmotors bereitstellt, zu ermitteln; und
– die stationären Einspritzparameter mit den Korrektureinspritzparametern zu beaufschlagen, um die angepassten Einspritzparameter zu erhalten.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Motorsystems mit einem Verbrennungsmotor;
2 ein beispielhaftes Einspritzprofil mit einer Vor- und einer Haupteinspritzung; und
3 ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Anpassen des Einspritzprofils abhängig von einem Betriebszustand des Motorsystems.
Beschreibung von Ausführungsformen
In 1 ist schematisch ein Motorsystem mit einem Verbrennungsmotor 1 mit einer Anzahl von Zylindern 2 (im vorliegenden Ausführungsbeispiel vier Zylinder) dargestellt. Der Verbrennungsmotor 1 kann als Diesel- oder Ottomotor ausgebildet sein und wird entsprechend im Viertaktbetrieb getrieben.
Über ein Luftzuführungssystem 3 wird den Zylindern 2 des Verbrennungsmotors 1 Frischluft zugeführt. Die Zuführung von Frischluft erfolgt über einen Einlasskrümmer 6 zu den Einspritzventil 7 in jedem der Zylinder 2. Im Luftzuführungssystem 3 können optional eine Aufladeeinrichtung, wie beispielsweise ein Turbolader, eine Drosselklappe und eine Abgasrückführung vorgesehen sein, womit jeweils die Menge von in die Zylinder 2 strömender Frischluft sowie deren Zusammensetzung, z. B. die Sauerstoffkonzentration, eingestellt werden kann.
Verbrennungsabgase werden aus den Zylindern 2 mit Hilfe eines Abgasabführungssystems 4 abgeführt. Die Verbrennungsabgase werden dazu über entsprechende Auslassventile 8 in den Zylindern 2 über einen Auslasskrümmer 9 in das Abgasabführungssystem 4 abgeführt. Das Luftzuführungssystem 3 und das Abgasabführungssystem 4 bilden gemeinsam das sogenannte Luftsystem des Motorsystems 1. In der Regel weisen heutige Verbrennungsmotoren auch eine Abgasrückführung und eine Aufladung, z. B. durch einen Abgasturbolader, auf (nicht gezeigt).
Zur Einbringung von Kraftstoff sind den Zylindern 2 Einspritzventile 5 zugeordnet, die in geeigneter Weise zum Öffnen oder Schließen angesteuert werden können, um Kraftstoff in die Brennräume der Zylinder 2 einzuspritzen.
Der Betrieb des Verbrennungsmotors 2 wird mit Hilfe einer Steuereinheit 10 gesteuert. Die Steuereinheit 10 erfasst dazu eine Vorgabe eines Sollmoments, die beispielsweise bei einem Betrieb in einem Kraftfahrzeug aus einer Fahrpedalstellung oder dergleichen abgeleitet werden kann und einer angeforderten Last entspricht. Basierend auf dem vorgegebenen Sollmoment und sensorisch oder über ein Modell erhaltenen momentanen Zustandsgrößen des Motorsystems 1 kann durch Stellen von geeigneten Stellgebern, wie beispielsweise einer Drosselklappe, eines Abgasrückführungsventils, eines Laderstellers (Wastegate-Ventil, VTG-Steller usw.) oder dergleichen das Betriebsverhalten des Motorsystems 1 zum Erreichen des vorgegebenen Sollmoments eingestellt werden. Wesentlich für die Bereitstellung des angeforderten Sollmoments ist die pro Arbeitstakt in einem Zylinder eingespritzte Kraftstoffmenge. Diese wird in der Regel durch eine Öffnungszeitdauer der Einspritzventile 5 und die Anzahl von Einspritzvorgängen pro Arbeitstakt vorgegeben. Neben der Generierung des gewünschten Sollmoments steuert die Steuereinheit 10 das Motorsystem so, dass durch die Stelleingriffe zusätzlich ein möglichst emissionsarmer Motorbetrieb realisiert wird, innerhalb stationärer wie auch transienter Betriebssituationen.
Zur Optimierung des Motorverhaltens kann die Einspritzung von Kraftstoff in aufeinanderfolgenden ein oder mehreren Voreinspritzungen ein oder mehreren Haupteinspritzungen erfolgen, die gemäß einem Einspritzprofil vorgegeben sein können. Beispielsweise ist in 2 ein derartiges Einspritzprofil mit entsprechenden Einspritzparametern angegeben. Das Einspritzprofil der 2 zeigt anhand eines Verlaufs einer Durchflussmenge durch das Einspritzventil die Öffnungs- und Schließzeiten bzw. Öffnungs- und Schließwinkel einer Voreinspritzung und einer Haupteinspritzung. Die Öffnungszeiten bzw. -winkel werden als jeweils ein Einspritzparameter durch die Zeit- bzw. Winkeldifferenz zu einem oberen Totpunkt einer Kolbenbewegung in dem betreffenden Zylinder 2 angegeben. Weiterhin können als weitere Einspritzparameter die Kraftstoffmengen für jede der Einspritzungen vorgegeben werden. Anstelle der Verwendung der Kraftstoffmenge als Einspritzparameter kann auch die Einspritzventilöffnungszeit verwendet werden, wobei die effektive Menge an eingespritztem Kraftstoff sich weiterhin abhängig von dem Einspritzdruck des bereitgestellten Kraftstoffs ergibt, was bei der Ermittlung der korrekten Einspritzventilöffnungszeit berücksichtigt werden muss.
Dadurch ergibt sich ein stationärer Parametervektor u_e,k für das Einspritzprofil mit jeweils einer Voreinspritzung und einer Haupteinspritzung wie folgt: u_e,k = [φ PI / k m PI / k φ MI / k m MI / k] wobei φ PI / k dem relativen Anfangszeitpunkt bzw. Startwinkel der Voreinspritzung (PI), φ MI / k dem relativen Anfangszeitpunkt bzw. Startwinkel der Haupteinspritzung (MI), m PI / k die Einspritzmenge von Kraftstoff der Voreinspritzung und m MI / k die Einspritzmenge von Kraftstoff der Haupteinspritzung für den jeweiligen Arbeitstakt k entsprechen. Die Anfangszeitpunkte können beispielsweise drehzahlunabhängig in Form eines Kurbelwellenwinkels, insbesondere relativ zu einem fest vorgegebenen Kurbelwellenwinkel einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors 1, wie z. B. eines oberen Totpunkts der Kurbelwellenbewegung, vorgegeben sein. In 2 entsprechen m PI / k und m MI / k den Flächen unter dem dargestellten Einspritzratenverlauf und somit der jeweils eingespritzten Kraftstoffmenge. Die Anzahl der Voreinspritzungen und die Anzahl der Haupteinspritzungen kann jedoch jeweils mehr als eine betragen und insbesondere abhängig von dem Betriebspunkt, insbesondere angegeben durch die Motordrehzahl und die Motorlast, vorgegeben sein. Entsprechend würde sich die Anzahl der Einspritzparameter erhöhen.
In 3 ist ein Funktionsdiagramm für eine Funktion zum Bereitstellen von angepassten Einspritzparametern u * / e,k in Form einer Ansteuergröße für ein Einspritzventil 5 eines Zylinders 2 dargestellt. Entsprechend den angepassten Einspritzparametern u * / e,k soll das dem Zylinder 2 zugeordneten Einspritzventil 5 angesteuert werden. Die entsprechenden angepassten Einspritzparameter u * / e,k werden dazu dem Einspritzblock 15 zugeführt, in dem die angepassten Einspritzparametern u * / e,k in zeitliche Ansteuersignale für das betreffende Einspritzventil 5 zum Öffnen und Schließen umgewandelt werden, insbesondere abhängig von einem Kurbelwellenwinkel und einer Motordrehzahl.
Die Einspritzparameter der Ansteuergröße entsprechen stationären Einspritzparameter u_e,k, die mit Korrektur-Einspritzparametern Δu_e,k korrigiert sind. Damit können insbesondere für einen dynamischen Betriebsfall des Verbrennungsmotors 1 die Einspritzparameter der Ansteuergröße des für den Betriebspunkt relevanten Einspritzprofils angepasst bzw. korrigiert werden.
Dazu wird betriebspunktabhängig, d. h. abhängig von einer Motordrehzahl n des Verbrennungsmotors 1 und dem Sollmoment M_soll (entspricht arbeitsspielindividuelles M Arbeitsspiel / soll ), d. h. der angeforderten Last, stationäre Einspritzparameter u_e,k eines Stationär-Einspritzprofils entsprechend einem vorgegebenen Einspritzprofilkennfeld, das in einem Stationär-Einspritzprofilblock 11 bereitgestellt wird, vorgegeben. Das Einspritzprofilkennfeld wird in der Regel offline, z. B. auf einem Prüfstand ermittelt, und in geeigneter Weise gespeichert und abrufbar zur Verfügung durch Vorgabe der Motordrehzahl n dem Sollmoment M_soll zur Verfügung gestellt.
Das Einspritzprofilkennfeld kann als Look-up-Tabelle oder als Funktionsmodell, wie z. B. einem Gaußprozessmodell zur Verfügung gestellt werden.
Den stationären Einspritzparametern u_e,k des Stationär-Einspritzprofils werden mit den Korrektur-Einspritzparametern Δu_e,k beaufschlagt, insbesondere hinzuaddiert. Alternativ können die stationären Einspritzparameter u_e,k des Stationär-Einspritzprofils mit den Korrektur-Einspritzparametern Δu_e,k multipliziert oder in sonstiger Weise verknüpft werden.
Die Korrektur-Einspritzparameter Δu_e,k werden in einem Anpassungsblock 12 ermittelt. Im Anpassungsblock 12 können die Korrektur-Einspritzparameter Δu_e,k durch ein vorgegebenes Korrektureinspritzparametermodell berechnet werden.
Das Korrektureinspritzparametermodell kann z. B. einem durch ein per Online-Optimierung invertiertes Zylindermodell Σ_c ^–1 entsprechen, das auf einem Verbrennungszyklusmodell Σ_c basiert. Das Verbrennungszyklusmodell Σ_c bildet die physikalischen Vorgänge in den Zylindern ab.
Alternativ kann in dem Anpassungsblock 12 das Ergebnis einer vergleichbaren, jedoch offline durchgeführten Optimierung in Kennfeldern abgelegt werden, die z. B. per Gauß-Prozess-Regression beschrieben sind.
Die Verwendung von nicht parametrischen, datenbasierten Funktionsmodellen wie z. B. der Gauß-Prozess-Regression, basiert auf einem Bayes-Regressionsverfahren. Die Grundlagen der Bayes-Regression sind beispielsweise in C. E. Rasmussen et al., „Gaussian Processes for Machine Learning", MIT Press 2006, beschrieben. Bei der Bayes-Regression handelt es sich um ein datenbasiertes Verfahren, das auf einem Modell basiert. Zur Erstellung des Modells sind Messpunkte von Trainingsdaten sowie zugehörige Ausgangsdaten einer zu modellierenden Ausgangsgröße erforderlich. Die Erstellung des Modells erfolgt anhand der Verwendung von Stützstellendaten, die den Trainingsdaten ganz oder teilweise entsprechen oder aus diesen generiert werden. Weiterhin werden abstrakte Hyperparameter bestimmt, die den Raum der Modellfunktionen parametrisieren und effektiv den Einfluss der einzelnen Messpunkte der Trainingsdaten auf die spätere Modellvorhersage gewichten.
Die für das Korrektureinspritzparametermodell relevanten Eingangsgrößen können eine oder mehrere der folgenden Größen umfassen:

– gemessene und/oder modellierte Bedingungen innerhalb des Einlasskrümmers 6 des Luftzuführungssystems 3 unmittelbar vor den Einlassventilen 7, z. B. einen Gasdruck p_IM(t), eine Gastemperatur T_IM(t) und eine Sauerstoffkonzentration
– gemessene und/oder modellierte Bedingungen innerhalb des Auslasskrümmers 9 des Abgasabführungssystems 4 unmittelbar nach den Auslassventilen 8 umfassen, z. B. einen Gasdruck p_EM(t), eine Gastemperatur T_EM(t) und eine Sauerstoffkonzentration
– einen Kraftstoffdruck p_r(t),
– eine Motordrehzahl n,
– ein Sollmoment M Arbeitsspiel / soll oder einen Soll-Mitteldruck (indiziert) IMEP p Arbeitsspiel / mi,soll des Arbeitsspiels.

Zur Reduktion der Modellkomplexität ist es möglich, auch nur eine Auswahl dieser Eingangsgrößen zu berücksichtigen.
Das Korrektureinspritzparametermodell liefert als Ausgangsgrößen die Korrektur-Einspritzparameter Δu_e,k. Aus den stationären Einspritzparametern u_e,k des Einspritzprofils und den Korrektur-Einspritzparametern Δu_e,k resultieren die für das Arbeitsspiel k angepassten Einspritzparameter (u * / e,k).
In dem Formungsblock 13 werden anhand einer Abweichung zwischen den modellierten Verbrennungsmerkmalen z ^_k und gemessenen Verbrennungsmerkmalen z_k für einen Zylinder 2 Kennwerte zur Korrektur einer oder mehrerer der obigen Eingangsgrößen, die für den Anpassungsblock 12 verwendet werden, ermittelt. Die eine oder die mehreren Eingangsgrößen werden in einem Korrekturanwendungsblock 19 durch Beaufschlagung mit einer oder mehreren Korrekturgrößen K ermittelt. Insbesondere werden Korrekturwerte K für eine oder mehrere Eingangsgrößen in einfacher Weise ausgewählt, die eine ausreichende Sensitivität zu dem betreffenden Verbrennungsmerkmal aufweisen.
Zur Berechnung des Verbrennungszyklusmodells Σ_c, z. B. innerhalb eines Modellblocks 14 bzw. in invertierter Form innerhalb eines Anpassungsblocks 12, werden als Randbedingungen des Luftsystems
der Einspritzdruck p_r(t), die Motordrehzahl n sowie die entsprechende korrigierten Einspritzparameter (u * / e,k) vorgegeben. Die Ausgangsgrößen des Verbrennungszyklusmodells Σ_c können neben den Verbrennungsmerkmalen z ^_k, wie in dem Modellblock 14 dargestellt, beispielsweise auch die Schadstoffemissionen
(Stickoxidemissionen), ε_PM (Rußemissionen) oder der indizierte Mitteldruck p Arbeitsspiel / mi,k des gesamten Arbeitsspiels sein, wie in Anpassungsblocks 12 verwendet (nicht in 2 dargestellt).
Das Verbrennungszyklusmodell Σ_c umfasst mehrere Modellteile, die Teilphasen des Arbeitsspiels in einem Zylinder 2 entsprechen. Die Teilphasen umfassen z. B. die Gaswechselphase, die Kompressionsphase und die Verbrennungsphase. Die Teilphasen sind durch entsprechende thermodynamische Zustände x(t) = [m(t) m^O2(t) p(t)]^T bzw. x(φ) = [m(φ) m^O2(φ) p(φ)]^T (φ entspricht dem Kurbelwellenwinkel) der Zylinderfüllung eines Zylinders (Masse m, Sauerstoffmasse m^O2 und Zylinderdruck p) für den Zeitpunkt des Öffnens des Auslassventils 8 (t ≙ t AÖ / k bzw. φ ≙ φ AÖ / k), des Schließens des Einlassventils 7 (t ≙ t ES / k bzw. φ ≙ φ ES / k) und des Starts der ersten Voreinspritzung (t ≙ t PI / k bzw. φ ≙ φ PI / k) miteinander gekoppelt. Hinsichtlich der Modellierung sind die einzelnen Phasen wie folgt charakterisiert:

– Während der Gaswechselphase kann ein physikalisches, konzentriert parametrisches Zylindermodell mit Drosselgleichungen für die Einlass- und Auslassventile verwendet werden,
• Gesamtmassenbilanzgleichung dm(t) / dt = ṁ_AV(t) – ṁ_EV(t) ṁ_AV: Massenstrom durch das Auslassventil ṁ_EV: Massenstrom durch das Einlassventil
• Sauerstoffmassenbilanzgleichung
ṁ O2 / AV: Sauerstoffmassenstrom durch das Auslassventil ṁ O2 / EV: Sauerstoffmassenstrom durch das Einlassventil
• Drosselgleichung zur Beschreibung des Massenstroms durch das Einlass- bzw. Auslassventil
α_ν: Durchflusskoeffizient A_ν: effektive Querschnittsfläche R: spezifische Gaskonstante T_u: Temperatur in Strömungsrichtung vor dem Ventil p_u: Druck in Strömungsrichtung vor dem Ventil p_d: Druck in Strömungsrichtung nach dem Ventil κ: Isentropenexponent ν: Laufvariable für die Ventile (Einlass und Auslass) mit ν ∊ {AV, EV}
• Druckdifferentialgleichung (hergeleitet aus der Energiebilanzgleichung)
R: spezifische Gaskonstante V: aktuelles Zylindervolumen V .: zeitliche Änderung des Zylindervolumens c_v: spezifische isochore Wärmekapazität c_p: :spezifische isobare Wärmekapazität h^f: spezifische Enthalpie des Fluids f T: aktuelle Zylindertemperatur R^f: spezifische Gaskonstante der Gaskomponente f R: spezifische Gaskonstante des Gasgemisches ν: Laufvariable für die Ventile (Einlass und Auslass) mit ν ∊ {AV, EV} f: Laufvariable für die betrachteten Gaskomponenten mit f ∊ {O², ...}
• Berechnungsgleichung des indizierten Mitteldrucks p Gaswechsel / mi,k während der Gaswechselphase φ AÖ / k < φ ≤ φ ES / k bzw. t AÖ / k < t ≤ t ES / k
V_H: Hubvolumen des Zylinders

Während der Kompressionsphase kann ein physikalisches konzentriert parametrisches Zylindermodell verwendet werden.

• Gesamtmassenbilanzgleichung dm(t) / dt = 0
• Sauerstoffmassenbilanzgleichung
• Druckdifferentialgleichung (hergeleitet aus der Energiebilanzgleichung)
• Berechnungsgleichung des indizierten Mitteldrucks während der Kompressionsphase φ ES / k < φ ≤ φ PI / k bzw. t ES / k < t ≤ t PI / k

Während der Verbrennungsphase kann eine datenbasierte Approximation der Verbrennungsphase durch eine Gauß-Prozess-Regression zur Beschreibung der Ausgangsgrößen, wie beispielsweise von Schadstoffemissionen
und des indizierten Mitteldrucks p Verbrennung / mi,k, in Abhängigkeit des Zylinderfüllungszustands x(t PI / k) bzw. x(φ PI / k) (als Ergebnis der Modellteile der Gaswechselphase und der Kompressionsphase), der Einspritzparameter, wobei diese beliebige Werte innerhalb des Modellgültigkeitsbereichs annehmen können, also z. B. die stationären Einspritzparameter u_e,k oder die angepassten Einspritzparameter (u * / e,k), dem Kraftstoffdruck p_r und der Motordrehzahl n modelliert werden.

• Physikalisch motivierte Approximation der Gesamtmassenbilanzgleichung (Beschreibung der Zylindermasse zum Zeitpunkt-Auslassventil öffnet) m(t AÖ / k) = m(t PI / k) + (m PI / k + m MI / k)
• Physikalisch motivierte Approximation der Sauerstoffmassenbilanzgleichung (Beschreibung der Sauerstoffmasse innerhalb des Zylinders zum Zeitpunkt-Auslassventil öffnet) m^O2(t AÖ / k) = m^O2(t PI / k) – μ^O2(m PI / k + m MI / k) μ^O2: stöchiometrischer Faktor (Sauerstoffbedarf)
• Datenbasierte Approximation der Druckdifferentialgleichung (basierend auf dem mathematischen Fluss der Differentialgleichung) z. B. per Gauß-Prozess-Regression p(t AÖ / k) ≈ M AÖ / GPR,p(x(t PI / k), u_e,k, p_r, n_E)
• Datenbasierte Approximation der NOx und Ruß Emissionen sowie des indizierten Mitteldrucks p Verbrennung / mi,k z. B. per Gauß-Prozess-Regression

Die Berechnung des indizierten Mitteldrucks des gesamten Arbeitsspiels p Arbeitsspiel / mi,k erfolgt entsprechend p Arbeitsspiel / mi,k = p Gaswechsel / mi,k + p Kompression / mi,k + p Verbrennung / mi,k.
Die Bestimmung der Korrektureinspritzparameter Δu_e,k in Anpassungsblock 12 kann durch eine optimierungsbasierte Inversion des Verbrennungszyklusmodells Σ_c erreicht werden, um das Korrektureinspritzparametermodell zu erhalten und um damit die Korrektureinspritzparameter Δu_e,k zu bestimmen. Dazu wird das Verbrennungszyklusmodell Σ_c hinsichtlich der Einspritzparameter invertiert, um ein invertiertes Verbrennungszyklusmodell Σ_c ^–1 zu erhalten. Die Invertierung eines Gaußprozessmodells ist aus dem Stand der Technik bekannt und kann beispielsweise mithilfe eines Newton-Verfahrens vorgenommen werden.
Ist der mit den Einspritzparametern verknüpfte Teil des Verbrennungszyklusmodells mittels einem oder mehreren Gaußprozess-Modellen beschrieben, speziell die Emissionen, so können deren Vorhersagewerte innerhalb einer Gütefunktion zusammengefasst werden. Anhand dieser Gütefunktion kann gemäß dem Stand der Technik, z. B. mithilfe eines Newton-Verfahrens, eine optimierungsbasierte Inversion der GPR-Modelle durchgeführt werden, d. h. die Bestimmung der Korrektureinspritzparameter Δu_e,k, die die Gütefunktion (lokal/global) minimieren. Dies stellt die optimierungsbasierte Inversion des Verbrennungszyklusmodells dar. Es können auch andere optimierungsbasierte Verfahren zum Einsatz kommen. Ziel der Optimierung ist einerseits durch die Korrektur-Einspritzparameter Δu_e,k die Schadstoffemissionen
den Kraftstoffverbrauch oder dergleichen zu optimieren und dabei andererseits das für das Arbeitsspiel gewünschte Sollmoment M Arbeitsspiel / soll bzw. den damit korrelierten indizierten Mitteldruck p Arbeitsspiel / pmi,soll unter Berücksichtigung des Gaswechsels und der Kompression zu erzielen.
Für die Bestimmung der Korrektureinspritzparameter Δu_e,k werden die für die Verbrennungsphase gültigen Gauß-Prozess-Modelle (bezüglich Stickoxidemissionen
Rußemissionen ε_PM oder des indizierten Mitteldrucks p Verbrennung / mi der Verbrennungsphase, ...) entsprechend einer Optimierung invertiert, so dass man abhängig von frei formulierbaren Optimierungszielen für die Schadstoffemissionen
und dem für das Arbeitsspiel einzuhaltenden indizierten Mitteldruck p Arbeitsspiel / pmi,soll die entsprechenden Korrektur-Einspritzparameter Δu_le,k des Einspritzprofils erhalten kann.
Die Optimierung, die durch eine Minimierung einer Gütefunktion unter Beachtung von vorgegebenen Randbedingungen erfolgen kann, kann die folgende mathematische Struktur aufweisen:
Nebenbedingung der Optimierung:
Dies entspricht einem physikalisch/datenbasierten Modell der Gaswechsel-, Kompressions- und Verbrennungsphase entsprechend des Verbrennungszyklusmodells Σ_C mit ΔU_e,k als zulässigen Wertebereich der Korrektur-Einspritzparameter Δu_e,k, w ... Gewichtungsfaktoren der jeweiligen Gütefunktionselemente und der Gesamteinspritzmenge m PI / k + m MI / k, hier beispielhaft für 2 Einspritzungen.
Die für die Verbrennungsphase berücksichtigten Gauß-Prozess-Modelle, die im beschriebenen Ausführungsbeispiel für die Optimierung in Anpassungsblock 12 zum Einsatz kommen, können des Weiteren so modifiziert sein, dass bei deren Modellbildung die Information über die drehzahl-/lastabhängigen stationären Einspritzparameter u_e,k bereits direkt berücksichtigt bzw. mitgelernt werden. Durch diese Maßnahme werden die mit der Kraftstoffeinspritzung verknüpften Eingangsgrößen der Gauß-Prozess-Modelle von Einspritzparametern mit „absoluten” Bezug z. B. u_e,k in Einspritzparameter mit relativem Bezug Δu_e,k transformiert. Da somit die vom Motorbetriebspunkt abhängigen Einstellgrenzen der Einspritzparameter, z. B. hinsichtlich der Einspritzzeitpunkte, implizit innerhalb der Gauß-Prozess-Modelle berücksichtigt sind, können die Optimierungsgrenzen als einfache Box Constraints formuliert werden und das Ergebnis der Optimierung liefert zusätzlich direkt die Ausgangswerte von Block 12. Des Weiteren können durch die Transformation der Variablen direkt analytische Ableitung hinsichtlich der durch die Optimierung zu bestimmenden Korrektur-Einspritzparameter Δu_e,k berechnet werden.
Als Optimierungsverfahren zur Bestimmung der Korrektureinspritzparameter Δu_e,k kommen herkömmliche Optimierungsverfahren wie Gradientenabstiegsverfahren oder dergleichen in Betracht.
Durch das Zylindermodell der Gaswechselphase und das Zylindermodell der Kompressionsphase werden die Randbedingungen der Optimierung ermittelt. Dies umfasst den Zylinderfüllungszustand x(t PI / k) bzw. x(φ PI / k) zu Beginn der Verbrennung (bzw. des Verbrennungstaktes) und das von der Verbrennungsphase zu erzeugende Soll-Moment M Verbrennung / soll bzw. der soll-indizierte Mitteldruck IMEP p Verbrennung / mi,soll der Verbrennungsphase entsprechend p Verbrennung / mi,soll = p Arbeitsspiel / mi,soll – p Gaswechsel / mi – p Kompression / mi wobei sich der indizierte Soll-Mitteldruck p Arbeitsspiel / mi,soll des Arbeitsspiels aus dem Soll-Moment des Arbeitsspiels M Arbeitsspiel / soll entsprechend
ergibt (V_H – Hubvolumen des Zylinders). Das Moment M Arbeitsspiel / soll beschreibt die aus dem Fahrerwunsch und den Anforderungen der Nebenaggregate (Klimaanlage, ...) abgeleitete Momentenanforderung, die integral innerhalb eines Arbeitsspiels erzeugt werden muss.
Die Optimierungsvariablen sind die Korrektureinspritzparameter Δu_e,k, die die gesuchten Korrekturwerte der durch Motordrehzahl n und Soll-Moment M_soll bestimmten stationären Einspritzparameter u_e,k darstellen.
Die Verbrennungsschwerpunktlage φ₅₀ (beschreibt den Kurbelwellenwinkel, an dem 50% des eingebrachten Kraftstoffs chemisch umgesetzt wurden) und/oder andere Verbrennungsmerkmale z_k (z. B. φ₁₀, φ₉₀, Kurbelwinkelposition und Wert des Zylinderspitzendrucks, Kurbelwinkelposition und Wert des maximalen Druckgradients usw.) können basierend auf Zustandsgrößen des Verbrennungsmotors 1 ermittelt werden. Insbesondere kann die Verbrennungsschwerpunktlage sowie die übrigen Verbrennungsmerkmale durch einen Zylinderdrucksensor direkt erfasst oder alternativ aus einer Analyse eines Verlaufs der Motordrehzahl abgeleitet werden.
Man kann zusätzliche eine Korrektur des für die Optimierung verwendeten Verbrennungszyklusmodells vorsehen. Die Korrektur kann durch Anpassung von deren Eingangsgrößen erfolgen.
Für diesen Zweck werden in einem Modellblock 14 von mindestens einem separaten Anpassungsmodell, z. B. mithilfe eines Gauß-Prozess-Modells, das einem Modellteil des Verbrennungszyklusmodells entsprechen kann, ein oder mehrere Verbrennungsmerkmale z ^_k, wie z. B. eine Verbrennungsschwerpunktlage φ₅₀, sowie φ₁₀, φ₉₀ (Kurbelwinkelpositionen nach 10%iger oder 90%iger Verbrennung des Kraftstoffs), die Kurbelwinkelposition und der Wert des Zylinderspitzendrucks oder die Kurbelwinkelposition und der Wert des maximalen Druckgradients, vorhergesagt, wobei die Eingangsgrößen zumindest teilweise modellidentisch zu denen der Optimierung im Anpassungsblock 12 sind. Durch Vergleich bzw. Differenzbildung in einem Differenzblock 16 mit Verbrennungsmerkmalen z_k, die anhand von Zustandsgrößen des Verbrennungsmotors 1 in einem Verbrennungsmerkmalblock 18 bestimmten werden, ergibt sich dabei eine Abweichung mit einem Fehler Δz_k.
Der Fehler in einer bestimmten Eingangsgröße, z. B. der Fehler der geschätzten Sauerstoffmasse nach dem Schließen des betreffenden Einlassventils, wird dann anhand eines Modells in einem Korrekturmodellblock 17 bestimmt, das deren Sensitivität zur Abweichung Δz_k des Verbrennungsmerkmals beschreibt. Der Korrekturmodellblock 17 liefert dazu einen oder mehrere Korrekturwerte K zur Beaufschlagung von entsprechenden Eingangsgrößen, um den so geschätzten Fehler der Eingangsgröße im nächsten Arbeitsspiel k + 1 für die Korrektur der betreffenden Eingangsgröße zu verwenden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

C. E. Rasmussen et al., „Gaussian Processes for Machine Learning”, MIT Press 2006 [0036]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (1) durch Vorgabe eines Einspritzprofils, das durch angepasste Einspritzparameter (u * / e,k) definiert ist, mit folgenden Schritten: – Ermitteln von stationären Einspritzparametern (u_e,k) anhand eines vorgegebenen Stationär-Einspritzprofilkennfelds; – Ermitteln von Korrektur-Einspritzparametern (Δu_e,k) anhand eines vorgegebenen Korrektureinspritzparametermodells, das Korrektur-Einspritzparameter (Δu_e,k) abhängig von einer oder mehreren Zustandsgrößen eines Luftzuführungssystems (3) und/oder Abgasabführungssystem (4) des Verbrennungsmotors (1) bereitstellt; – Beaufschlagen der stationären Einspritzparameter (u_e,k) mit den Korrektureinspritzparametern (Δu_e,k), um die angepassten Einspritzparameter (u * / e,k) zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Korrektur-Einspritzparameter (Δu_e,k) durch Invertieren eines vorgegeben Verbrennungszyklusmodell als das Korrektureinspritzparametermodell mithilfe eines Optimierungsverfahrens bestimmt werden, wobei das Verbrennungszyklusmodell einem kombiniert physikalisch/datenbasierten Modell zur Beschreibung von physikalischen Vorgängen in einem Zylinder (2) des Verbrennungsmotors (1) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Optimierungsverfahren zur Optimierung einer oder mehrerer Schadstoffemissionen oder eines Kraftstoffverbrauchs insbesondere mit jeweils individuell anpassbaren Gewichtungen durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei eine Randbedingung des Optimierungsverfahrens zur Optimierung so gewählt wird, dass ein generiertes Motormoment bzw. ein indizierter Mitteldruck (p Arbeitsspiel / mi,k) der Verbrennung konstant bleibt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Korrektureinspritzparametermodell mithilfe eines offline gelernten vorgegebenen datenbasierten nicht-parametrischen Modell, insbesondere eines Gauß-Prozess-Modells, vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei für das Korrektureinspritzparametermodell relevante Eingangsgrößen eine oder mehrere der folgenden Größen umfassen: – einen Gasdruck (p_IM(t)), eine Gastemperatur (T_IM(t)) und eine Sauerstoffkonzentration
in einem Einlasskrümmer des Verbrennungsmotors (1), – einen Gasdruck (p_EM(t)), eine Gastemperatur (T_EM(t)) und eine Sauerstoffkonzentration
nun einem Auslasskrümmer des Verbrennungsmotors (1), – einen Kraftstoffdruck (p_r(t)), – eine Motordrehzahl (n(, – ein Sollmoment (M Arbeitsspiel / soll) oder einen indizierten Soll-Mitteldruck (p Arbeitsspiel / mi,soll) des Arbeitsspiels.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine oder mehrere der Eingangsgrößen des Korrektureinspritzparametermodells abhängig von einem Unterschied zwischen einem oder mehreren tatsächlichen Verbrennungsmerkmale einer Verbrennung in dem Zylinder (2) des Verbrennungsmotors (1) und einem oder mehreren modellierten Verbrennungsmerkmalen der Verbrennung in dem Zylinder (2) des Verbrennungsmotors (1) korrigiert werden.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das eine oder die mehreren modellierten Verbrennungsmerkmale basierend auf mindestens einem Teil der Eingangsgrößen für das Korrektureinspritzparametermodell und den angepassten Einspritzparametern (u * / e,k) gemäß einem Verbrennungszyklusmodell ermittelt werden, das insbesondere mithilfe eines datenbasierten nicht-parametrischen Modells, insbesondere eines Gauß-Prozess-Modells, vorgegeben ist.
Vorrichtung, insbesondere Steuereinheit (10), zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (1) in einem Motorsystem durch Vorgabe eines Einspritzprofils, das durch angepasste Einspritzparameter (u * / e,k) definiert ist, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um: – stationäre Einspritzparameter (u_e,k) anhand eines vorgegebenen Stationär-Einspritzprofilkennfelds zu ermitteln; – Korrektur-Einspritzparameter (Δu_e,k) anhand eines vorgegebenen Korrektureinspritzparametermodells, das Korrektur-Einspritzparameter (Δu_e,k) abhängig von einer oder mehreren Zustandsgrößen eines Luftzuführungs- und/oder Abgasabführungssystems (3, 4) des Verbrennungsmotors (1) bereitstellt, zu ermitteln; und – die stationären Einspritzparameter (u_e,k) mit den Korrektureinspritzparametern (Δu_e,k) zu beaufschlagen, um die angepassten Einspritzparameter (u * / e,k) zu erhalten.
Motorsystem umfassend: – einen Verbrennungsmotor (1); – eine Vorrichtung nach Anspruch 9.
Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach Anspruch 11 gespeichert ist.