DE102017009582B3 - Verfahren zur modellbasierten Steuerung und Regelung einer Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur modellbasierten Steuerung und Regelung einer Brennkraftmaschine (1), bei dem von einem Optimierer (22) aus einer ersten Bibliothek (26) eine Emissionsklasse für den Betrieb der Brennkraftmaschine (1) eingelesen wird, vom Optimierer (22) aus einer zweiten Bibliothek (27) anhand des Brennkraftmaschinentyps eine maximale mechanische Bauteilbelastung ausgelesen wird, die Emissionsklasse und die Bauteilbelastung als verbindlich für ein Verbrennungsmodell (20) und ein Gaspfadmodell (21) gesetzt werden, bei dem in Abhängigkeit eines Sollmoments über das Verbrennungsmodell (20) Einspritzsystem-Sollwerte zur Ansteuerung der Einspritzsystem-Stellglieder und über das Gaspfadmodell (21) Gaspfad-Sollwerte zur Ansteuerung der Gaspfad-Stellglieder berechnet werden, bei dem vom Optimierer (22) ein Gütemaß in Abhängigkeit der Einspritzsystem-Sollwerte und der Gaspfad-Sollwerte berechnet wird, vom Optimierer (22) das Gütemaß über Veränderung der Einspritzsystem-Sollwerte und Gaspfad-Sollwerte innerhalb eines Prädiktionshorizonts minimiert wird und bei dem vom Optimierer (22) anhand des minimierten Gütemaßes die Einspritzsystem-Sollwerte und Gaspfad-Sollwerte als maßgeblich zur Einstellung des Betriebspunkts der Brennkraftmaschine (1) gesetzt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur modellbasierten Steuerung und Regelung einer Brennkraftmaschine, bei dem von einem Optimierer aus einer ersten Bibliothek eine Emissionsklasse für den Betrieb der Brennkraftmaschine eingelesen wird, vom Optimierer aus einer zweiten Bibliothek anhand des Brennkraftmaschinentyps eine maximale mechanische Bauteilbelastung ausgelesen wird, die Emissionsklasse und die maximale Bauteilbelastung als verbindliche für ein Verbrennungsmodell und ein Gaspfadmodell gesetzt werden und bei dem in Abhängigkeit eines Soll-Moments über das Verbrennungsmodell Einspritzsystem-Sollwerte zur Ansteuerung der Einspritzsystem-Stellglieder und über ein Gaspfadmodell Gaspfad-Sollwerte zur Ansteuerung der Gaspfad-Stellglieder berechnet werden.
  • Das Verhalten einer Brennkraftmaschine wird maßgeblich über ein Motorsteuergerät in Abhängigkeit eines Leistungswunsches bestimmt. Hierzu sind in der heutigen Software des Motorsteuergeräts entsprechende Kennlinien und Kennfelder appliziert. Über diese werden aus dem Leistungswunsch, zum Beispiel einem Soll-Moment, die Stellgrößen der Brennkraftmaschine berechnet, zum Beispiel der Spritzbeginn und ein erforderlicher Raildruck. Mit Daten bestückt werden diese Kennlinien/Kennfelder beim Hersteller der Brennkraftmaschine auf einem Prüfstand. Die Vielzahl dieser Kennlinien/Kennfelder und die Korrelation der Kennlinien/Kennfelder untereinander verursachen allerdings einen hohen Abstimmungsaufwand.
  • In der Praxis wird daher versucht den Abstimmungsaufwand durch die Verwendung von mathematischen Modellen zu reduzieren. So beschreibt zum Beispiel die DE 10 2006 004 516 B3 ein Bayesnetz mit Wahrscheinlichkeitstabellen zur Festlegung einer Einspritzmenge und die US 2011/0172897 A1 ein Verfahren zur Adaption des Spritzbeginns sowie der Spritzmenge über Verbrennungsmodelle mittels neuronaler Netze. Kritisch ist hierbei, dass lediglich trainierte Daten abgebildet werden, die erst bei einem Prüfstandslauf gelernt werden müssen.
  • Aus der US 2016/0025020 A1 ist ein modellbasiertes Regelverfahren für den Gaspfad einer Brennkraftmaschine bekannt. Der Gaspfad umfasst sowohl die Luftseite als auch die Abgasseite nebst einer Abgas-Rückführung. In einem ersten Schritt des Verfahrens wird aus den Messgrößen des Gaspfads, zum Beispiel der Ladelufttemperatur oder der NOx-Konzentration, die aktuelle Betriebssituation der Brennkraftmaschine festgestellt. In einem zweiten Schritt wird dann ebenfalls aus den Messgrößen über ein physikalisches Modell des Gaspfads ein Gütemaß innerhalb eines Prädiktionshorizonts berechnet. Aus dem Gütemaß und der Betriebssituation wiederum werden dann in einem dritten Schritt die Ansteuersignale für die Stellglieder des Gaspfads festgelegt. Das angegebene Verfahren bezieht sich ausschließlich auf den Gaspfad und basiert auf einem linearisierten Gaspfadmodell. Durch die Linearisierung bedingt ist ein Informationsverlust unvermeidbar.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur modellbasierten Steuerung und Regelung der ganzen Brennkraftmaschine bei hoher Güte zu entwickeln.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale von Anspruch 1. Die Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen dargestellt.
  • Das Verfahren besteht darin, dass von einem Optimierer aus einer ersten Bibliothek eine Emissionsklasse für den Betrieb der Brennkraftmaschine eingelesen wird, vom Optimierer aus einer zweiten Bibliothek anhand des Brennkraftmaschinentyps eine maximale mechanische Bauteilbelastung ausgelesen wird und die Emissionsklasse und die maximale Bauteilbelastung als verbindlich für ein Verbrennungsmodell und ein Gaspfadmodell gesetzt werden. Ferner besteht das Verfahren darin, dass in Abhängigkeit eines Sollmoments über das Verbrennungsmodell Einspritzsystem-Sollwerte zur Ansteuerung der Einspritzsystem-Stellglieder und über das Gaspfadmodell Gaspfad-Sollwerte zur Ansteuerung der Gaspfad-Stellglieder berechnet werden und dass vom Optimierer ein Gütemaß in Abhängigkeit der Einspritzsystem-Sollwerte und der Gaspfad-Sollwerte berechnet wird. Ergänzt wird das Verfahren dadurch, dass vom Optimierer das Gütemaß über Veränderung der Einspritzsystem-Sollwerte und Gaspfad-Sollwerte innerhalb eines Prädiktionshorizonts minimiert wird und vom Optimierer anhand des minimierten Gütemaßes die Einspritzsystem-Sollwerte und Gaspfad-Sollwerte als maßgeblich zur Einstellung des Betriebspunkts der Brennkraftmaschine gesetzt werden.
  • In der ersten Bibliothek sind die unterschiedlichen gesetzlichen Emissionsklassen entsprechend dem globalen Anwendungsbereich, zum Beispiel IMO oder Tier 4f, abgelegt. Dadurch sind unterschiedliche Emissionsziele für ein und denselben Brennkraftmaschinentyp darstellbar. Von Vorteil sind der reduzierte Abstimmungsaufwand und eine größere Flexibilität hinsichtlich des Einsatzortes. Über die zweite Bibliothek mit der maximalen mechanischen Bauteilbelastung kann in einer vorgesehenen Option der Betreiber das Wartungsintervall beeinflussen. Zum Beispiel bedeutet ein reduzierter Verbrennungsspitzendruck eine längere Nutzungsdauer bis zum nächsten Wartungstermin. Von Vorteil ist hier also die Wahlfreiheit. Selbstverständlich lässt sich eine einmal abgestimmte Bibliothek auf eine Brennkraftmaschine desselben Typs aber mit geänderter Zylinderzahl problemlos übertragen.
  • Bestimmt wird das minimierte Gütemaß, indem vom Optimierer zu einem ersten Zeitpunkt ein erstes Gütemaß berechnet wird, zu einem zweiten Zeitpunkt ein zweites Gütemaß innerhalb des Prädiktionshorizonts prognostiziert wird und anschließend eine Abweichung der beiden Gütemaße bestimmt wird. Ist die Abweichung kleiner als ein Grenzwert, so wird vom Optimierer das zweite Gütemaß als minimiertes Gütemaß gesetzt. Die Grenzwertbetrachtung ist insofern ein Abbruchkriterium, da eine weitere Minimierung zu keiner noch präziseren Anpassung führen würde. Anstelle der Grenzwertbetrachtung kann auch eine vorgebbaren Anzahl von Neuberechnungen als Abbruchkriterium gesetzt werden.
  • Anhand des minimierten Gütemaßes werden dann vom Optimierer als Einspritzsystem-Sollwert mittelbar ein Raildruck-Sollwert für einen unterlagerten Raildruck-Regelkreis und unmittelbar ein Spritzbeginn sowie ein Spritzende zur Ansteuerung eines Injektors vorgegeben. Ergänzend werden dann vom Optimierer mittelbar die Gaspfad-Sollwerte, zum Beispiel ein Lambda-Sollwert für einen unterlagerten Lambda-Regelkreis und ein AGR-Sollwert für einen unterlagerten AGR-Regelkreis, vorgegeben.
  • Sowohl das Verbrennungsmodell als auch das Gaspfadmodell bilden das Systemverhalten der Brennkraftmaschine als mathematische Gleichungen ab. Bestimmt werden diese einmalig anhand einer Referenz-Brennkraftmaschine bei einem Prüfstandslauf, dem sogenannten DoE-Prüfstandslauf (DoE: Design of Experiments) oder aus Simulationsversuchen. Eine Unterscheidung in einen stationären und einen transienten Betrieb, zum Beispiel bei einer Lastaufschaltung im Generatorbetrieb, ist nicht mehr erforderlich. Zudem wird das Sollmoment unter Einhaltung der Emissionsgrenzwerte präzise eingestellt. Die Modelle sind einzeln abstimmbar, wobei die Modelle in der Summe die Brennkraftmaschine abbilden. Die bisher erforderlichen Kennlinien und Kennfelder können somit entfallen. Die bekannten Vorteile einer programmbasierten Lösung wie Nachrüstbarkeit oder Anpassung an gesetzliche Vorgaben sind auch hier gegeben.
  • In den Figuren ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt. Es zeigen:
    • 1 ein Systemschaubild,
    • 2 ein modellbasiertes Systemschaubild,
    • 3 einen Programm-Ablaufplan,
    • 4 Zeitdiagramme, Abstimmung 1 und
    • 5 Zeitdiagramme, Abstimmung 2.
  • Die 1 zeigt ein Systemschaubild einer elektronisch gesteuerten Brennkraftmaschine 1 mit einem Common-Railsystem. Das Common-Railsystem umfasst folgende mechanische Komponenten: eine Niederdruckpumpe 3 zur Förderung von Kraftstoff aus einem Kraftstofftank 2, eine veränderbare Saugdrossel 4 zur Beeinflussung des durchströmenden Kraftstoff-Volumenstroms, eine Hochdruckpumpe 5 zur Förderung des Kraftstoffs unter Druckerhöhung, ein Rail 6 zum Speichern des Kraftstoffs und Injektoren 7 zum Einspritzen des Kraftstoffs in die Brennräume der Brennkraftmaschine 1. Optional kann das Common-Railsystem auch mit Einzelspeichern ausgeführt sein, wobei dann zum Beispiel im Injektor 7 ein Einzelspeicher 8 als zusätzliches Puffervolumen integriert ist. Die weitere Funktionalität des Common-Railsystems wird als bekannt vorausgesetzt.
  • Der dargestellte Gaspfad umfasst sowohl die Luftzuführung als auch die Abgasabführung. Angeordnet sind in der Luftzuführung der Verdichter eines Abgasturboladers 11, ein Ladeluftkühler 12, eine Drosselklappe 13, eine Einmündungsstelle 14 zur Zusammenführung der Ladeluft mit dem rückgeführten Abgas und das Einlassventil 15. In der Abgasabführung angeordnet sind ein Auslassventil 16, die Turbine des Abgasturboladers 11 und ein Turbinen-Bypassventil 19. Aus der Abgasabführung zweigt ein Abgasrückführungspfad ab, in welchem ein AGR-Stellglied 17 zur Einstellung der AGR-Rate und der AGR-Kühler 18 angeordnet sind.
  • Die Betriebsweise der Brennkraftmaschine 1 wird durch ein elektronisches Steuergerät 10 (ECU) bestimmt. Das elektronische Steuergerät 10 beinhaltet die üblichen Bestandteile eines Mikrocomputersystems, beispielsweise einen Mikroprozessor, I/O-Bausteine, Puffer und Speicherbausteine (EEPROM, RAM). In den Speicherbausteinen sind die für den Betrieb der Brennkraftmaschine 1 relevanten Betriebsdaten als Modelle appliziert. Über diese berechnet das elektronische Steuergerät 10 aus den Eingangsgrößen die Ausgangsgrößen. Die maßgebliche Eingangsgröße ist ein Sollmoment M(SOLL), welches von einem Bediener als Leistungswunsch vorgegeben wird. Die auf das Common-Railsystem bezogenen Eingangsgrößen des Steuergeräts 10 sind der Raildruck pCR, der mittels eines Rail-Drucksensors 9 gemessen wird, und optional der Einzelspeicherdruck pES. Die auf den Luftpfad bezogenen Eingangsgrößen des elektronischen Steuergeräts 10 sind ein Öffnungswinkel W1 der Drosselklappe 13, die Motordrehzahl nIST, der Ladeluftdruck pLL, die Ladelufttemperatur TLL und die Feuchte phi der Ladeluft. Die auf den Abgaspfad bezogenen Eingangsgrößen des elektronischen Steuergeräts 10 sind ein Öffnungswinkel W2 des AGR-Stellglieds 17, die Abgastemperatur TAbgas, das Luft-Kraftstoffverhältnis Lambda und der NOx-lstwert stromab der Turbine des Abgasturboladers 11. Die weiteren nicht dargestellten Eingangsgrößen des elektronischen Steuergeräts 10 sind mit Bezugszeichen EIN zusammengefasst, beispielsweise die Kühlmitteltemperaturen oder ein variabler Ventiltrieb.
  • In 1 sind als Ausgangsgrößen des elektronischen Steuergeräts 10 dargestellt: ein Signal PWM zur Ansteuerung der Saugdrossel 4, ein Signal ve zur Ansteuerung des Injektors 7 (Spritzbeginn/ Spritzende), ein Stellsignal DK zur Ansteuerung der Drosselklappe 13, ein Stellsignal AGR zur Ansteuerung des AGR-Stellglieds 17, ein Stellsignal TBP zur Ansteuerung des Turbinen-Bypassventils 19 und eine Ausgangsgröße AUS. Die Ausgangsgröße AUS steht stellvertretend für die weiteren Stellsignale zur Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine 1, beispielsweise für ein Stellsignal zur Aktivierung eines zweiten Abgasturboladers bei einer Registeraufladung.
  • Die 2 zeigt ein modellbasiertes Systemschaubild. Bei dieser Darstellung sind innerhalb des elektronischen Steuergeräts 10 ein Verbrennungsmodell 20, ein Gaspfadmodell 21 und ein Optimierer 22 aufgeführt. Sowohl das Verbrennungsmodell 20 als auch das Gaspfadmodell 21 bilden das Systemverhalten der Brennkraftmaschine als mathematische Gleichungen ab. Das Verbrennungsmodell 20 bildet statisch die Vorgänge bei der Verbrennung ab. Im Unterschied hierzu bildet das Gaspfadmodell 21 auch das dynamische Verhalten der Luftführung und der Abgasführung ab. Das Verbrennungsmodell 20 beinhaltet Einzelmodelle, zum Beispiel für die NOx- und Rußentstehung, für die Abgastemperatur, für den Abgasmassenstrom und für den Spitzendruck. Diese Einzelmodelle wiederum hängen ab von den Randbedingungen im Zylinder und den Parametern der Einspritzung. Bestimmt wird das Verbrennungsmodell 20 bei einer Referenz-Brennkraftmaschine in einem Prüfstandslauf, dem sogenannte DoE-Prüfstandslauf (DoE: Design of Experiments). Beim DoE-Prüfstandslauf werden systematisch Betriebsparameter und Stellgröße mit dem Ziel variiert, das Gesamtverhalten der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von motorischen Größen und Umweltrandbedingungen abzubilden. Ergänzend sind eine erste Bibliothek 26 und eine zweite Bibliothek 27 dargestellt. Die beiden Bibliotheken können im elektronischen Steuergerät 10 oder in einem übergeordneten Anlagenregler, zum Beispiel bei einem Schiff, integriert sein.
  • In einem ersten Schritt liest der Optimierer 22 aus der ersten Bibliothek 26 die Emissionsklasse ein. Unter Emissionsklasse ist zum Beispiel ein Betrieb der Brennkraftmaschine entsprechend dem MARPOL (Marine Pollution) der IMO oder EU IV / Tier 4 final zu verstehen. In einem zweiten Schritt werden aus der zweiten Bibliothek 27 anhand des Brennkraftmaschinentyps eine maximale mechanische Bauteilbelastung, zum Beispiel der Verbrennungsspitzendruck oder die maximale Drehzahl des Abgasturboladers, eingelesen. In einer Option ist vorgesehen, dass der Bediener Maximalwerte in Richtung geringerer Werte verändern kann, wodurch sich das Wartungsintervall verlängern lässt. Die ausgewählte Emissionsklasse und die ausgewählten maximalen Werte der mechanischen Bauteilbelastung werden dann als verbindlich für die weitere Berechnung innerhalb des Verbrennungsmodells und des Gaspfadmodells gesetzt. Danach wertet der Optimierer 22 das Verbrennungsmodell 20 aus und zwar hinsichtlich des Sollmoments M(SOLL), der Emissionsgrenzwerte, der Umweltrandbedingungen, zum Beispiel die Feuchte phi der Ladeluft, und der Betriebssituation der Brennkraftmaschine. Definiert wird die Betriebssituation durch die Motordrehzahl nIST, die Ladelufttemperatur TLL, den Ladeluftdruck pLL usw. Die Funktion des Optimierers 22 besteht nun darin, die Einspritzsystem-Sollwerte zur Ansteuerung der Einspritzsystem-Stellglieder und die Gaspfad-Sollwerte zur Ansteuerung der Gaspfad-Stellglieder zu bewerten. Hierbei wählt der Optimierer 22 diejenige Lösung aus, bei der ein Gütemaß minimiert wird. Berechnet wird das Gütemaß zum Beispiel als Integral der quadratischen Soll-Istabweichungen innerhalb des Prädiktionshorizonts. Beispielsweise in der Form: J = ∫ [ w1 ( NOx ( SOLL ) − NOx ( IST ) ] 2 + [ w2 ( M ( SOLL ) − M ( IST ) ] 2 + [ w 3 ( … ) ] + …
    Figure DE102017009582B3_0001
  • Hierin bedeuten w1, w2 und w3 einen entsprechenden Gewichtungsfaktor. Bekanntermaßen ergibt sich die Stickoxidemission aus der Feuchte phi der Ladeluft, der Ladelufttemperatur, dem Spritzbeginn SB und dem Raildruck pCR.
  • In der Gleichung (1) werden eine Begrenzung der Stellgrößen SG und eine Begrenzungsfunktion BF berücksichtigt. Hierfür gilt: SG ( min ) ≤ SG ≤ SG ( max )
    Figure DE102017009582B3_0002
    und BF ≤ Max
    Figure DE102017009582B3_0003
  • Stellgrößen sind zum Beispiel der Spritzbeginn und das Spritzende. Eine Begrenzungsfunktion ist zum Beispiel der maximale Verbrennungsdruck, eine maximale Drehzahl des Abgasturboladers oder eine maximale Abgastemperatur.
  • Minimiert wird das Gütemaß, indem vom Optimierer 22 zu einem ersten Zeitpunkt über die Gleichung (1) ein erstes Gütemaß berechnet wird. Danach werden die Einspritzsystem-Sollwerte sowie die Gaspfad-Sollwerte variiert und über die Gleichung (1) wird ein zweites Gütemaß innerhalb des Prädiktionshorizonts prognostiziert. Anhand der Abweichung der beiden Gütemaße zueinander legt dann der Optimierer 22 die Stellgrößen für ein minimales Gütemaß fest und setzt dieses als maßgeblich für die Brennkraftmaschine. Für das in der Figur dargestellte Beispiel sind dies für das Einspritzsystem der Soll-Raildruck pCR(SL) und der Spritzbeginn SB sowie das Spritzende SE. Der Soll-Raildruck pCR(SL) ist die Führungsgröße für den unterlagerten Raildruck-Regelkreis 23. Die Stellgröße des Raildruck-Regelkreises 23 entspricht dem PWM-Signal zu Beaufschlagung der Saugdrossel. Mit dem Spritzbeginn SB und dem Spritzende SE wird der Injektor (1: 7) unmittelbar beaufschlagt. Für den Gaspfad bestimmt der Optimierer 22 mittelbar die Gaspfad-Sollwerte. Bei dem dargestellten Beispiel sind dies ein Lamda-Sollwert LAM(SL) und ein AGR-Sollwert AGR(SL) zur Vorgabe für den Lambda-Regelkreis 24 und den AGR-Regelkreis 25. Die rückgeführten Messgrößen MESS werden vom elektronischen Steuergerät 10 eingelesen. Unter den Messgrößen MESS sind sowohl unmittelbar gemessene physikalische Größen als auch daraus berechnete Hilfsgrößen zu verstehen. Bei dem dargestellten Beispiel werden der Lamda-Istwert LAM(IST) und der AGR-Istwert AGR(IST) eingelesen.
  • In der 3 ist das Verfahren in einem Programm-Ablaufplan dargestellt, wobei in der 3A ein Unterprogramm dargestellt ist. Nach der Initialisierung bei S1 wird bei S2 geprüft, ob der Startvorgang beendet ist. Läuft dieser noch, Abfrageergebnis S2: nein, wird zum Punkt A zurückverzweigt. Ist der Startvorgang beendet, so wird bei S3 das vom Bediener vorgebbare Sollmoment M(SOLL) eingelesen. Im Anschluss daran wird bei S4 die Betriebssituation der Brennkraftmaschine erfasst. Definiert wird die Betriebssituation über die Messgrößen, insbesondere über die Motordrehzahl nIST, die Ladelufttemperatur TLL, den Ladeluftdruck pLL, die Feuchte phi der Ladeluft usw.. Bei S5 wird das Unterprogramm Optimierer der 3A aufgerufen. In diesem Unterprogramm wird bei S5A aus der ersten Bibliothek eine anwendungsortspezifische Emissionsklasse, zum Beispiel IMO oder Tier 4 final, eingelesen. Danach wird bei S6A aus der zweiten Bibliothek die maximale mechanische Bauteilbelastung eingelesen, zum Beispiel ein maximaler Verbrennungsspitzendruck von 200 bar. Im Anschluss wird in das Hauptprogramm der 3 zu Schritt S5 zurückgekehrt.
  • Bei S6 werden dann die Anfangswerte erzeugt, zum Beispiel der Spritzbeginn SB. Ein erstes Gütemaß J1 wird anhand der Gleichung (1) bei S7 berechnet und bei S8 eine Laufvariable i auf null gesetzt. Danach werden bei S9 die Anfangswerte verändert und als neue Sollwerte für die Stellgrößen berechnet. Bei S10 wird die Laufvariable i um eins erhöht. Anhand der neuen Sollwerte wird dann bei S11 ein zweites Gütemaß J2 innerhalb des Prädiktionshorizonts, zum Beispiel für die nächsten 8 Sekunden, prognostiziert. Bei S12 wiederum wird das zweite Gütemaß J2 vom ersten Gütemaß J1 subtrahiert und mit einem Grenzwert GW verglichen. Über die Differenzbildung der beiden Gütemaße wird der weitere Fortschritt des Gütemaßes abgeprüft. Alternativ wird anhand des Vergleichs der Laufvariablen i mit einem Grenzwert iGW geprüft wie oft bereits eine Optimierung durchlaufen wurde. Die beiden Grenzwertbetrachtungen sind insofern ein Abbruchkriterium für eine weitere Optimierung. Ist eine weitere Optimierung möglich, Abfrageergebnis S12: nein, so wird zum Punkt C zurückverzweigt. Anderenfalls wird bei S13 vom Optimierer das zweite Gütemaß J2 als minimales Gütemaß J(min) gesetzt. Aus dem minimalen Gütemaß J(min) resultieren dann die Einspritzsystem-Sollwerte und die Gaspfad-Sollwerte zur Vorgabe für die entsprechenden Stellglieder. Im Anschluss daran wird bei S14 geprüft, ob ein Motorstopp initiiert wurde. Ist dies nicht der Fall, Abfrageergebnis S14: nein, wird zum Punkt B zurückverzweigt. Anderenfalls ist der Programm-Ablaufplan beendet.
  • In der 4 ist eine erste Abstimmung der Brennkraftmaschine gemäß IMO3 dargestellt. Die 4 umfasst die 4A bis 4D. Hierbei zeigen jeweils über der Zeit die 4A einen Momentenverlauf, die 4B die Stickoxid-Emission NOx, die 4C den Spritzbeginn SB in Grad Kurbelwellenwinkel vor dem oberen Totpunkt (OT) und die 4D den Verlauf des Spitzendrucks PMax. In der 5 ist eine zweite Abstimmung der Brennkraftmaschine gemäß Tier 4 final dargestellt. Die 5 umfasst die 5A bis 5D, welche dieselben Größen über der Zeit zeigen wie die 4A bis 4D. Der Zeitbereich vor t0 entspricht der Vergangenheit. Der Prädiktionshorizont, zum Beispiel 8s, entspricht dem Zeitbereich t0 bis t0+tp. Mit ts ist eine Berechnungszeit bezeichnet, bei der ein neuer Sollwert, zum Beispiel der Spritzbeginn SB, vom elektronischen Steuergerät ausgegeben wird.
  • Zunächst wird der Ablauf nach der 4 erklärt. Vom Bediener wurde eine Betriebsweise ausgewählt, bei welcher die volle Leistung der Brennkraftmaschine ausgeschöpft werden soll. Nachdem der Startvorgang abgeschlossen ist, wird vom Optimierer aus der ersten Bibliothek die Emissionsklasse für den Betrieb der Brennkraftmaschine eingelesen, hier also die Emissionsklasse gemäß IMO3. Danach wird vom Optimierer aus der zweiten Bibliothek anhand des Brennkraftmaschinentyps die maximale mechanische Bauteilbelastung ausgelesen, zum Beispiel der maximale Verbrennungsdruck von PMax=200 bar (4D).
  • Die Eingangsgröße ist ein vom Bediener vorgebbares Sollmoment M(SOLL), hier: der Endwert M2. Zum Anfangswert M1 des Sollmoments korrespondieren zum Zeitpunkt t0 ein NOx-Sollwert NOx1 (4B) und ein Spritzbeginn SB1 (4C). Ebenfalls zum Zeitpunkt t0 werden das Istmoment M(IST) und der NOx-Istwert NOx(IST) eingelesen. Berechnet wird der NOx-Istwert in Abhängigkeit der gemessenen Luftdrücke im Luftpfad und des Spritzbeginns SB, hier: SB1 (4C). In den 4A ist die Abweichung des Ist-Moments M(IST) zum Sollmoment M(SOLL) als schraffierte Fläche dargestellt. In der 4 B ist die Abweichung des NOx-Istwerts NOx(IST) zum NOx-Sollwert NOx(SL) als schraffierte Fläche dargestellt. Zum Zeitpunkt t0 berechnet der Optimierer über die Gleichung (1) ein erstes Gütemaß. Anschließend verändert der Optimierer die mittelbaren und unmittelbaren Stellgrößen und berechnet über die Gleichung (1) die Stellgrößen für ein zweites Gütemaß. Die mittelbaren und unmittelbaren Stellgrößen sind in der 2 dargestellt. In der 4C ist als exemplarische Stellgröße der Spritzbeginn SB dargestellt. Mit anderen Worten: der Optimierer bestimmt zum Zeitpunkt t0 wie sich eine Veränderung zum Beispiel des Spritzbeginns SB vom Anfangswert SB1 auf den Endwert SB2 innerhalb des Prädiktionshorizonts auswirkt. Über Differenzbildung des zweiten Gütemaßes zum ersten Gütemaß und Grenzwertbetrachtung wird das Gütemaß minimiert, das heißt, es wird geprüft, ob eine weitere Optimierung erfolgversprechend ist. Aus den 4A und 4B wird ersichtlich, dass zum Zeitpunkt t0+tP eine weitere Verbesserung des zweiten Gütemaßes nicht mehr erfolgversprechend ist, da hier die Istwerte den Sollwerten entsprechen.
  • Der 5 ist eine Emissionsklasse gemäß Tier 4 final zugrunde gelegt und eine Betriebsart vom Betreiber ausgewählt, bei der der Verbrennungsdruck stets deutlich kleiner sein soll als der maximale Verbrennungsdruck PMax, woraus eine verlängerte Betriebsdauer resultiert. Vom Bediener wird das Sollmoment vom Anfangswert M1 auf den Endwert M3 erhöht. Die Berechnung des ersten und des zweiten Gütemaßes über die Gleichung (1) entspricht der Beschreibung der 4. Aus dem Vergleich der 4 und 5 wird der Einfluss der beiden Bibliotheken deutlich. So ist der NOx-Sollwert NOx(SL) in der 5B deutlich zu geringeren Werten ausgerichtet und aufgrund des Verlaufs des Verbrennungsdrucks an der maximalen Grenze PMax kann zu einem wesentlich früheren Zeitpunkt ein höheres Ist-Moment M(IST) erreicht werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Brennkraftmaschine
    2
    Kraftstofftank
    3
    Niederdruckpumpe
    4
    Saugdrossel
    5
    Hochdruckpumpe
    6
    Rail
    7
    Injektor
    8
    Einzelspeicher
    9
    Rail-Drucksensor
    10
    Elektronisches Steuergerät
    11
    Abgasturbolader
    12
    Ladeluftkühler
    13
    Drosselklappe
    14
    Einmündungsstelle
    15
    Einlassventil
    16
    Auslassventil
    17
    AGR-Stellglied (AGR: Abgasrückführung)
    18
    AGR-Kühler
    19
    Turbinen-Bypassventil
    20
    Verbrennungsmodell
    21
    Gaspfadmodell
    22
    Optimierer
    23
    Raildruck-Regelkreis
    24
    Lambda-Regelkreis
    25
    AGR-Regelkreis
    26
    Erste Bibliothek
    27
    Zweite Bibliothek

Claims (7)

  1. Verfahren zur modellbasierten Steuerung und Regelung einer Brennkraftmaschine (1), bei dem von einem Optimierer (22) aus einer ersten Bibliothek (26) eine Emissionsklasse für den Betrieb der Brennkraftmaschine (1) eingelesen wird, vom Optimierer (22) aus einer zweiten Bibliothek (27) anhand des Brennkraftmaschinentyps eine maximale mechanische Bauteilbelastung ausgelesen wird, die Emissionsklasse und die Bauteilbelastung als verbindlich für ein Verbrennungsmodell (20) und ein Gaspfadmodell (21) gesetzt werden, bei dem in Abhängigkeit eines Sollmoments (M(SOLL)) über das Verbrennungsmodell (20) Einspritzsystem-Sollwerte zur Ansteuerung der Einspritzsystem-Stellglieder und über das Gaspfadmodell (21) Gaspfad-Sollwerte zur Ansteuerung der Gaspfad-Stellglieder berechnet werden, bei dem vom Optimierer (22) ein Gütemaß (J) in Abhängigkeit der Einspritzsystem-Sollwerte und der Gaspfad-Sollwerte berechnet wird, vom Optimierer (22) das Gütemaß (J) über Veränderung der Einspritzsystem-Sollwerte und Gaspfad-Sollwerte innerhalb eines Prädiktionshorizonts minimiert wird und bei dem vom Optimierer (22) anhand des minimierten Gütemaßes (J(min)) die Einspritzsystem-Sollwerte und Gaspfad-Sollwerte als maßgeblich zur Einstellung des Betriebspunkts der Brennkraftmaschine (1) gesetzt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Bibliothek (26) gesetzliche Emissionsklassen entsprechend dem globalen Anwendungsbereich abgelegt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gütemaß (J) minimiert wird, indem vom Optimierer (22) zu einem ersten Zeitpunkt ein erstes Gütemaß (J1) berechnet wird, zu einem zweiten Zeitpunkt ein zweites Gütemaß (J2) innerhalb des Prädiktionshorizonts prognostiziert wird, eine Abweichung aus erstem (J1) und zweitem Gütemaß (J2) bestimmt wird und vom Optimierer (22) das zweite Gütemaß (J2) als minimiertes Gütemaß (J(min)) gesetzt wird, bei dem die Abweichung kleiner als ein Grenzwert (GW) wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gütemaß (J) minimiert wird, indem vom Optimierer (22) zu einem ersten Zeitpunkt ein erstes Gütemaß (J1) berechnet wird, zu einem zweiten Zeitpunkt ein zweites Gütemaß (J2) innerhalb des Prädiktionshorizonts prognostiziert wird und vom Optimierer (22) das zweite Gütemaß (J2) als minimiertes Gütemaß (J(min)) nach Durchlaufen einer vorgebbaren Anzahl (i) von Neuberechnungen gesetzt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vom Optimierer (22) als Einspritzsystem-Sollwert mittelbar ein Raildruck-Sollwert (pCR(SL)) für einen unterlagerten Raildruck-Regelkreis (23) vorgegeben wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vom Optimierer (22) als Einspritzsystem-Sollwert unmittelbar ein Spritzbeginn (SB) und ein Spritzende (SE) zur Ansteuerung eines Injektors (7) vorgegeben werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vom Optimierer (22) mittelbar Gaspfad-Sollwerte für unterlagerte Gaspfad-Regelkreise (24, 25) vorgegeben werden.
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