DE102017218195A1

DE102017218195A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln einer Rußkonzentration in einem Verbrennungsabgas eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102017218195A1
Application number: DE102017218195.8A
Authority: DE
Inventors: Sven Grossmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-10-12
Filing date: 2017-10-12
Publication date: 2019-04-18
Also published as: CN111164292A; WO2019072886A1; CN111164292B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Motorsystems mit einem Verbrennungsmotor, mit folgenden Schritten:
- Erfassen von aktuellen Werten von Betriebszustandsgrößen (B1 -B7) während des Betriebs des Verbrennungsmotors (2);
- Tiefpassfiltern mindestens einer der Betriebszustandsgrößen (B1 -B7) mit einer oder mehreren Zeitkonstanten, um eine oder mehrere tiefpassgefilterte Betriebszustandsgrößen (B1' -B5', B7') zu erhalten;
- Berechnen einer Partikelmengenangabe eines Verbrennungsabgases des Verbrennungsmotors mit einem datenbasierten nichtparametrischen Funktionsmodell abhängig von einem Eingangsgrößenvektor aus Eingangsgrößen, wobei die Eingangsgrößen keine, eine oder mehrere der Betriebsgrößen (B1 - B7) und die eine oder die mehreren tiefpassgefilterten Betriebszustandsgrößen (B1' -B5', B7') umfasst; und
- Betreiben des Motorsystems (1) abhängig von der Partikelmengenangabe (V).

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft Verbrennungsmotoren, insbesondere kraftstoffgeführte Verbrennungsmotoren, und insbesondere Maßnahmen zum Ermitteln eines Rußausstoßes im dynamischen Betrieb.
Technischer Hintergrund
Die Rußbeladung einer Abgasnachbehandlungseinrichtung eines Motorsystems mit einem Verbrennungsmotor, wie beispielsweise eines Dieselpartikelfilters, muss laufend bestimmt werden, um die Zeitpunkte einer Regeneration der Abgasnachbehandlungseinrichtung zu bestimmen. Die Regeneration kann z.B. durch Abbrennen des angelagerten Rußes erfolgen.
Die Rußbeladung kann anhand des Verlaufs der ausgestoßenen Rußmenge des Verbrennungsmotors im laufenden Betrieb geschätzt werden. Die ausgestoßene Rußmenge kann durch bekannte Modelle für den statischen Betrieb des Verbrennungsmotors aus mehreren Eingangsgrößen, wie Drehzahl, Einspritzmenge, Lambda-Wert und dergleichen, modelliert werden.
Der Zusammenhang zwischen bekannten Größen und der ausgestoßenen Rußmenge ist jedoch nicht nur statisch durch die aktuellen Werte der Eingangsgrößen bestimmt, sondern auch von dynamischen Änderungen dieser und weiterer Eingangsgrößen abhängig. Daher ist aufgrund häufig auftretender dynamischer Betriebszustände von Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen die ausgestoßene Rußmenge nicht präzise durch ausschließliche Berücksichtigung von statischen Eingangsgrößen zu bestimmen.
Aus der Druckschrift DE 10 2008 004218 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung der dynamischen Rußemission eines Dieselmotors bekannt. Dieses basiert auf einem stationären Modell für die Ermittlung einer stationären Rußemission, wobei das stationäre Modell eine stationäre Rußemission in Abhängigkeit von einem stationären Lambda-Wert beschreibt. Durch Interpolation oder Extrapolation wird aus dem stationären Modell mindestens eine stationäre Rußemission für einen dynamischen Lambda-Wert ermittelt. Eine dynamische Rußemission wird als Differenz aus der stationären Rußemission für den dynamischen Lambda-Wert und der stationären Rußemission für den stationären Lambda-Wert ermittelt.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zum Betreiben eines Motorsystems mit einem Verbrennungsmotor 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 Motorsystems mit einem Verbrennungsmotor vorgesehen, mit folgenden Schritten:

- Erfassen von aktuellen Werten von Betriebszustandsgrößen während des Betriebs des Verbrennungsmotors;
- Tiefpassfiltern mindestens einer der Betriebszustandsgrößen mit einer oder mehreren Zeitkonstanten, um eine oder mehrere tiefpassgefilterte Betriebszustandsgrößen zu erhalten;
- Berechnen einer Partikelmengenangabe eines Verbrennungsabgases des Verbrennungsmotors, insbesondere einer Rußmenge, mit einem datenbasierten nicht-parametrischen Funktionsmodell abhängig von einem Eingangsgrößenvektor aus Eingangsgrößen, wobei die Eingangsgrößen keine, eine oder mehrere der Betriebsgrößen und die eine oder die mehreren tiefpassgefilterten Betriebszustandsgrößen umfasst; und
- Betreiben des Motorsystems abhängig von der Partikelmengenangabe.

Eine Idee des obigen Verfahrens besteht in der Verwendung eines datenbasierten Funktionsmodells als nicht-parametrisches Modell zur Berechnung einer Rußmengenangabe. Die Verwendung eines datenbasierten nicht-parametrischen Funktionsmodells ermöglicht die Modellierung komplexer Zusammenhänge anhand von auf einem Prüfstand ermittelten Trainingsdaten. Dadurch ist es möglich, zur Berechnung der Partikelmengenangabe eine geeignete, auf die Berechnung von datenbasierten Funktionsmodellen spezialisierte Hardwareeinheit zu verwenden, so dass eine schnelle Berechnung des jeweiligen Werts der Partikelmengenangabe möglich ist. Durch die Verwendung einer Modellberechnungseinheit als separate Hardwareeinheit kann ein entsprechendes Steuergerät bei der Bestimmung der Partikelmengenangabe (Rußmenge) entlastet werden.
Weiterhin ist es durch die Verwendung eines derartigen datenbasierten (parameterfreien) Funktionsmodells möglich, eine höhere Anzahl von Eingangsgrößen zu berücksichtigen und ein Funktionsmodell zur Verfügung zu stellen, das basierend auf einer hohen Zahl von zuvor vermessenen Trainingsdaten erstellt worden ist.
Gemäß dem obigen Verfahren wird zur Bestimmung der Partikelmengenangabe der Eingangsgrößenvektor des datenbasierten Funktionsmodells auch für den dynamischen Betriebsfall des Verbrennungsmotors mindestens eine der Betriebszustandsgrößen mit ihrem aktuellen Wert und zusätzlich durch einen Tiefpassfilter mit einer vorgegebenen Zeitkonstante tiefpassgefiltert bereitgestellt.
Da der Zusammenhang zwischen aktuellen Werten von Eingangsgrößen und der Partikelmengenangabe jedoch nicht nur statisch durch die aktuellen Werte der Eingangsgrößen bestimmt ist, sondern auch von dynamischen Änderungen dieser Betriebszustandsgrößen abhängt, müssen dynamische Änderungen der Betriebszustandsgrößen in geeigneter Weise in dem Funktionsmodell als Eingangsgrößenvektor berücksichtigt werden.
Eine bekannte Möglichkeit, auch Informationen über dynamische Verläufe der Betriebszustandsgrößen in dem verwendeten Modell zu berücksichtigen, besteht darin, zeitverzögerte Kopien der Betriebszustandsgrößen zur Verfügung zu stellen und diese als separate Eingangsgrößen zu berücksichtigen. Diese Vorgehensweise hat jedoch den Nachteil, dass die Dimensionalität des Eingangsgrößenvektors erheblich vergrößert wird, da für jede Betriebszustandsgröße eine von dem Verlauf dieser Betriebszustandsgröße abhängige Anzahl von historischen Werten dieser Betriebszustandsgröße benötigt wird. Daher lässt sich ein zeitlicher Verlauf der Betriebszustandsgrößen nur über eine kurze Zeitspanne berücksichtigen oder die Auflösung des zeitlichen Verlaufs der Betriebszustandsgrößen ist sehr gering, so dass die Angabe über die Dynamik nur sehr ungenau zur Verfügung steht.
Gegenüber der Berücksichtigung von zeitverzögerten Kopien der aktuellen Werte der Betriebszustandsgrößen hat das obige Verfahren den Vorteil, dass sich durch die zusätzliche Berücksichtigung eines tiefpassgefilterten Werts einer Betriebszustandsgröße als eine Eingangsgröße eine Verlaufsinformation der betreffenden Betriebszustandsgröße besser in den datenbasierten Funktionsmodellen berücksichtigen lässt. Die tiefpassgefilterten Größen lassen sich in einfacher Weise in Echtzeit berechnen. Durch die Vorgabe der Zeitkonstanten der Tiefpassfilterung kann der zu berücksichtigende Zeitraum des zeitlichen Verlaufs der Betriebszustandsgröße ausgewählt werden, und es können insbesondere mehrere tiefpassgefilterte Werte der Betriebszustandsgröße mit verschiedenen Zeitkonstanten als Eingangsgröße für das datenbasierte Funktionsmodell berücksichtigt werden.
Weiterhin kann das datenbasierte nicht-parametrische Funktionsmodell ein Gauß-Prozess-Modell umfassen oder diesem entsprechen.
Es kann vorgesehen sein, dass der Eingangsgrößenvektor mehrere tiefpassgefilterte Betriebszustandsgrößen basierend auf dem Verlauf einer der Betriebszustandsgrößen umfasst, wobei die mehreren tiefpassgefilterten Betriebszustandsgrößen bezüglich unterschiedlicher vorgegebener Zeitkonstanten ermittelt werden.
Weiterhin können die Eingangsgrößen eine oder mehrere Größen umfassen, die durch zeitliche Verzögerung einer oder mehrerer der Betriebszustandsgrößen und/oder einer oder mehrerer der tiefpassgefilterten Betriebszustandsgrößen ermittelt werden. Insbesondere kann die Dauer der zeitlichen Verzögerung getrennt für jede Eingangsgröße einstellbar sein. Damit lassen sich zeitliche Offset für die verschiedenen zugrundeliegenden Betriebszustandsgrößen angleichen. Z.B. kann dies berücksichtigen, dass eine Änderung einer in der Luftzuführung gemessenen Betriebszustandsgröße zeitlich verzögert in einer Änderung einer Partikelmengenabgabe (Ruß) resultiert.
Weiterhin kann das Motorsystem betrieben werden, indem die Partikelmengenangabe oder eine darauf basierende Angabe integriert wird, um eine aktuelle Partikelbeladung einer Abgasnachbehandlungseinrichtung zu ermitteln, wobei abhängig von der Partikelbeladung ein Betriebszustand eingenommen wird, um die Abgasnachbehandlungseinrichtung zu regenerieren.
Gemäß einer Ausführungsform kann die mindestens eine Betriebszustandsgröße umfassen:

- einen Frischluftmassenstrom in dem Verbrennungsmotor,
- eine Ansauglufttemperatur,
- einen Lambda-Wert des zugeführten Gasmassenstroms,
- eine Menge von eingespritztem Kraftstoff,
- eine Motortemperatur,
- eine Motordrehzahl,
- einen Abgasmassenstrom,
- eine Abgastemperatur,
- einen Lambda-Wert des Verbrennungsabgases,
- einen Umgebungsdruck.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung, insbesondere eine Steuereinheit, zum Betreiben eines Motorsystems mit einem Verbrennungsmotor vorgesehen, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um:

- aktuelle Werte von Betriebszustandsgrößen während des Betriebs des Verbrennungsmotors zu erfassen;
- mindestens eine der Betriebszustandsgrößen mit einer oder mehreren Zeitkonstanten tiefpasszufiltern, um eine oder mehrere tiefpassgefilterte Betriebszustandsgrößen zu erhalten;
- eine Partikelmengenangabe eines Verbrennungsabgases des Verbrennungsmotors mit einem vorgegebenen datenbasierten nichtparametrischen Funktionsmodell abhängig von einem Eingangsgrößenvektor zu berechnen, der sich aus den aktuellen Werten der Betriebszustandsgrößen und der einen oder den tiefpassgefilterten Betriebszustandsgrößen zusammensetzt;
- das Motorsystem abhängig von der Partikelmengenangabe zu betreiben.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Motorsystem vorgesehen, umfassend einen Verbrennungsmotor und die obige Vorrichtung.
Figurenliste
Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Motorsystems mit einem Dieselmotor als Verbrennungsmotor;
2 eine schematische Darstellung eines Steuergeräts zum Berechnen der Partikelmengenangabe mithilfe einer Modellberechnungseinheit;
3 ein Funktionsdiagramm zur Modellierung einer Partikelmengenangabe zum Betreiben des Motorsystems der 1; und
4 ein Flußdiagramm zur Veranschaulichung eines beispielhaften Verfahrens zum Betreiben des Motorsystems.

Beschreibung von Ausführungsformen
1 zeigt ein Motorsystem 1 mit einem Verbrennungsmotor 2. Der Verbrennungsmotor 2 weist eine Anzahl (im vorliegenden Ausführungsbeispiel vier) Zylinder 3 auf, die jeweils gemäß einem Viertaktbetrieb betrieben werden. Der Verbrennungsmotor 2 kann als kraftstoffgeführter oder luftgeführter Verbrennungsmotor, insbesondere als ein Ottomotor oder ein Dieselmotor, ausgebildet. Im nachfolgenden Ausführungsbeispiel wird beispielhaft von einem Dieselmotor ausgegangen.
Dem Verbrennungsmotor 2 wird Frischluft über ein Luftzuführungssystem 4 zugeführt und Verbrennungsabgase über ein Abgasabführungssystem 5 abgeführt. Im Luftzuführungssystem 4 kann eine Drosselklappe 6 zur Steuerung und Einstellung der den Zylindern 3 zuzuführenden Frischluftmenge angeordnet sein. Über Einspritzventile 31 wird den einzelnen Zylindern 2 Kraftstoff einer vorgebbaren Kraftstoffmenge zugeführt.
Ausgangsseitig des Abgasabführungssystems 5 ist eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 13, z.B. in Form eines Dieselpartikelfilters, angeordnet, die eine Reinigung des Verbrennungsabgases von Abgaspartikel, z.B. Ruß, vornimmt.
Im Abgasabführungssystem 5 kann ein Lambdasensor 7 zur Bestimmung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des zum Zeitpunkt der Verbrennung vorliegenden Luft-Kraftstoff-Gemisches in den Zylindern 3 des Verbrennungsmotors 2 angeordnet sein. Ferner können alternativ oder zusätzlich ein weiterer Lambdasensor zur Messung eines Lambda-Werts des dem Verbrennungsmotor 2 zugeführten Gasmassenstroms bestimmt werden.
Weiterhin kann die durch das Luftzuführungssystem 4 angesaugte Frischluft an einem ersten Temperatursensor 8 vorbeigeleitet werden, um eine Ansaugtemperatur der angesaugten Frischluft zu bestimmen. Zudem kann im Luftzuführungssystem 4 ein Luftmassenmesser 10 vorgesehen sein, um eine Menge der dem Verbrennungsmotor 2 zugeführten Frischluft zu detektieren. Die Frischluftmenge kann auch in anderer Weise erfasst werden. Weiterhin kann ein Massenstromsensor zum Messen eines Abgasmassenstroms vorgesehen sein.
Weiterhin kann eine Motortemperatur mit einem geeigneten zweiten Temperatursensor 9 detektiert werden, beispielsweise über eine Temperaturdetektion des Motoröls oder des Kühlwassers oder dergleichen.
Der Verbrennungsmotor 2 weist eine Kurbelwelle 11 auf, über die ein Motormoment an einen Abtriebsstrang übertragen werden kann. Die Kurbelwelle 11 kann mit einem geeigneten Drehzahlsensor 12 gekoppelt sein, um eine Drehzahlangabe über die Drehzahl der Kurbelwelle 11 zu erfassen.
Es ist eine Steuereinheit 15 vorgesehen, die die durch die obigen Sensorwerte ermittelten Sensorgrößen erhält und den Verbrennungsmotor 2 entsprechend einer von extern bereitgestellten Vorgabegröße V, wie beispielsweise einem durch eine Fahrpedalstellung eines Fahrpedals vorgegebenen Fahrerwunschmoment betreibt. Dazu stellt die Steuereinheit 15 Stellgeber und steuert insbesondere die Luftzufuhr, z.B. durch Stellen einer nicht gezeigten Aufladeeinrichtung und der Drosselklappe 6 und die Einspritzventile so an, dass ein der Vorgabegröße V entsprechendes Motormoment bereitgestellt wird. Die Ansteuerung des Verbrennungsmotors 2 erfolgt in einer an sich bekannten Weise, und es wird daher hierin nicht näher darauf eingegangen.
Beispielsweise wird beim Betrieb des Motorsystems die Partikelbeladung der Abgasnachbehandlungseinrichtung 13, wie z.B. einem Dieselpartikelfilter, berücksichtigt. Dazu wird der Betriebszustand des Motorsystems 1 geändert, um eine Temperaturerhöhung in der Abgasnachbehandlungseinrichtung zu bewirken, so dass diese durch Abbrand von angelagerten Partikeln (Ruß) regeneriert bzw. gereinigt wird.
Da der Betriebszustand zum Regenerieren der Abgasnachbehandlungseinrichtung 13 einen hohen Kraftstoffverbrauch bedingt, sollte dieser nur dann eingenommen werden, wenn die Partikelbeladung der Abgasnachbehandlungseinrichtung 13 einen bestimmten Schwellenwert übersteigt. Dies macht ein Verfahren erforderlich, die Partikelbeladung der Abgasnachbehandlungseinrichtung 13 kontinuierlich im laufenden Betrieb zu ermitteln. Dies kann beispielsweise durchgeführt werden, indem die von dem Verbrennungsmotor 2 im Betrieb abgegebene Rußpartikelmenge kumuliert bzw. integriert wird, um die aktuelle Beladungsmenge der Abgasnachbehandlungseinrichtung 13 zu bestimmen. Zur Ermittlung einer entsprechenden Partikelmengenangabe, die beispielsweise in Form einer Rußpartikelkonzentration, einer Rußpartikelmenge pro Zeiteinheit oder dergleichen, angegeben sein kann, wird vorgeschlagen, in dem Steuergerät die Rußmengenangaben mithilfe eines nicht-parametrischen datenbasierten Funktionsmodells zu bestimmen.
Die Verwendung von nicht parametrischen, datenbasierten Funktionsmodellen 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 die Messpunkte u von Trainingsdaten sowie zugehörige Ausgangsdaten einer zu modellierenden Ausgangsgröße y 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 parametrieren und effektiv den Einfluss der einzelnen Messpunkte der Trainingsdaten auf die spätere Modellvorhersage gewichten.
Die abstrakten Hyperparameter werden durch ein Optimierungsverfahren bestimmt. Eine Möglichkeit für ein solches Optimierungsverfahren besteht in einer Optimierung einer Marginal Likelihood p(Y|H,X). Die Marginal Likelihood p(Y| H,X) beschreibt die Plausibilität der gemessenen Werte der Ausgangsgröße in den Trainingsdaten, dargestellt als Vektor Y, gegeben die Modellparameter H und die Werte der Eingangsgrößen der Trainingsdaten, dargestellt als Eingangsgrößenvektor X. Im Modelltraining wird p(Y|H,X) maximiert, indem geeignete Hyperparameter gesucht werden, die zu einem Verlauf der durch die Hyperparameter und die Trainingsdaten bestimmten Modellfunktion führen und die Trainingsdaten möglichst genau abbilden. Zur Vereinfachung der Berechnung wird der Logarithmus von p(Y|H,X) maximiert, da der Logarithmus die Stetigkeit der Plausibilitätsfunktion nicht verändert.
Die Berechnung des Gauß-Prozess-Modells erfolgt entsprechend der nachfolgenden Rechenvorschrift. Die Eingangswerte $\tilde{x_{d}}$
für einen Testpunkt x (Eingangsgrößenvektor) werden zunächst normiert und zentriert, und zwar gemäß der folgenden Formel: $x_{d} = \frac{\tilde{x_{d}} - {(m_{x})}_{d}}{{(s_{x})}_{d}} .$
Dabei entsprechen m_x der Mittelwertfunktion bezüglich eines Mittelwerts der Eingangswerte der Stützstellendaten, s_x der Varianz der Eingangswerte der Stützstellendaten und d dem Index für die Dimension D des Testpunkts x.
Als Ergebnis der Erstellung des nicht parametrischen, datenbasierten Funktionsmodells erhält man: $v = \sum_{i = 1}^{N} {(Q_{y})}_{i} σ_{f} exp (- \frac{1}{2} \sum_{d = 1}^{D} \frac{{(X_{i, d} - x_{d})}^{2}}{l_{d}}) .$
Der so ermittelte Modellwert v wird mithilfe einer Ausgangsnormierung normiert, und zwar gemäß der Formel: $\tilde{v} = v s_{y} + m_{y} .$
Dabei entsprechen v einem normierten Modellwert (Ausgangswert) an einem normierten Testpunkt x (x₁ ..., x_d, ... x_D: Eingangsgrößenvektor der Dimension D), ṽ einem (nicht normierten) Modellwert (Ausgangswert) an einem (nicht normierten) Testpunkt ũ (Eingangsgrößenvektor der Dimension D), xi einer Stützstelle der Stützstellendaten, N der Anzahl der Stützstellen der Stützstellendaten, D der Dimension des Eingangsdaten-/Trainingsdaten-/ Stützstellendatenraums, sowie I_d und σ_f den Hyperparametern aus dem Modelltraining. Der Vektor Q_y ist eine aus den Hyperparametern und den Trainingsdaten berechnete Größe. Weiterhin entsprechen m_y der Mittelwertfunktion bezüglich eines Mittelwerts der Ausgangswerte der Stützstellendaten und s_y der Varianz der Ausgangswerte der Stützstellendaten.
Die Erstellung des Funktionsmodells kann mit Hilfe eines Prüfstands oder dergleichen erfolgen. Hier werden verschiedene Betriebspunkte des Motorsystems 1 z.B. durch Vorgabe von Betriebszustandsgrößen eingestellt und mit einer geeigneten Messeinrichtung die Partikelmengenangabe entsprechend bestimmt werden. Die Betriebspunkte des Motorsystems 1 werden ferner dynamisch verändert, so dass sich zeitliche Verläufe einer oder mehrerer Betriebszustandsgrößen ergeben, die zu dynamischen Betriebsverhalten insbesondere in Bezug der abgegebenen Partikelmenge führen.
2 zeigt schematisch den Aufbau eines Motorsteuergeräts 10, insbesondere zum Betreiben des Verbrennungsmotors 2. Das Motorsteuergerät 10 umfasst einen Mikrocontroller als Hauptrecheneinheit 12, die gemeinsam mit einer Modellberechnungseinheit 13 integriert ausgeführt ist. Bei der Modellberechnungseinheit 13 handelt es sich im Wesentlichen um die Hardwareeinheit, die hardwarebasiert Funktionsberechnungen durchführen kann, insbesondere solche für das trainierte Gaußprozessmodell. Insbesondere ist die Modellberechnungseinheit 13 ausgebildet, um Exponentialfunktions-, Additions- und Multiplikationsoperationen in Schleifenberechnungen durchzuführen.
Berechnungen in der Modellberechnungseinheit 13 werden von der Hauptrecheneinheit 12 gestartet, um basierend auf das Funktionsmodell beschreibenden Hyperparametern und Stützstellendaten einen Funktionswert für einen Testpunkt zu ermitteln. Die Hyperparameter und Stützstellendaten sind in einer weiterhin mit der Hauptrecheneinheit 12 und der Modellberechnungseinheit 13 integrierten Speichereinheit 15 gespeichert und dienen der Repräsentation eines datenbasierten Funktionsmodells für die Berechnung der Partikelmengenangabe V.
Die Hauptrecheneinheit 12 und die Modellberechnungseinheit 13 stehen über eine interne Kommunikationsverbindung, insbesondere einen Systembus 14, miteinander in Kommunikationsverbindung. Weiterhin können eine Speichereinheit 15 und eine DMA-Einheit 6 (DMA = Direct Memory Access) mit der internen Kommunikationsverbindung verbunden sein, um eine Signalkommunikation mit der Hauptrecheneinheit 12 und der Modellberechnungseinheit 13 zu gewährleisten.
Grundsätzlich weist die Modellberechnungseinheit 13 lediglich Hardware (Hartverdrahtung) auf, die einen festgelegten Berechnungsablauf vorgibt, und ist vorzugsweise nicht dazu ausgebildet, Softwarecode auszuführen. Aus diesem Grund ist es auch nicht erforderlich, in der Modellberechnungseinheit 13 einen Prozessor vorzusehen. Dies ermöglicht eine ressourcenoptimierte Realisierung einer derartigen Modellberechnungseinheit 13. Durch die Berechnung gemäß einer implementierten Hardwareroutine kann die Berechnungszeit gegenüber einem Software-Algorithmus deutlich verkürzt werden.
Basierend auf den Trainingsdaten aus Betriebszustandsgrößen und den jeweils zugeordneten Werten der Ausgangsgröße erfolgt das Training des datenbasierten Funktionsmodells, um die Hyperparameter des datenbasierten Funktionsmodells zu erhalten. Um die Abhängigkeit der Partikelmengenangabe von der Betriebsdynamik des Verbrennungsmotors geeignet abbilden zu können, wird für das Training ein Eingangsgrößenvektor verwendet, der sich aus den Betriebszustandsgrößen und davon abgeleiteten Größen zusammensetzt. Die eine oder mehreren zusätzlichen Eingangsgrößen entsprechen dabei Größen, die sich jeweils aus einer Tiefpassfilterung einer der Betriebszustandsgrößen mit einer vorgegebenen Zeitkonstanten der Tiefpassfilterung ergeben. Die für die Ermittlung der Partikelmengenangaben zugrunde liegenden Betriebszustandsgrößen B1...Bn können umfassen:

- einen Frischluftmassenstrom in dem Verbrennungsmotor,
- eine Ansauglufttemperatur,
- einen Lambda-Wert des zugeführten Gasmassenstroms,
- eine Menge von eingespritztem Kraftstoff,
- eine Motortemperatur,
- eine Motordrehzahl,
- einen Abgasmassenstrom,
- eine Abgastemperatur,
- einen Lambda-Wert des Verbrennungsabgases, und
- einen Umgebungsdruck.

Das Funktionsdiagramm der 3 zeigt die Berechnung der Partikelmengenangabe V durch ein datenbasiertes Funktionsmodell. Das Funktionsdiagramm der 3 zeigt einen Modellblock 41, dem Werte der für das Training berücksichtigten Betriebszustandsgrößen B1, B2, B3, B4, B5, B6, B7 und daraus in jeweiligen Tiefpassfiltern 42 berechneten tiefpassgefilterten Betriebszustandsgrößen B1', B1", B2', B2", B3", B4", B7" als Eingangsgrößen zugeführt werden.
Insbesondere kann ein zeitlicher Verlauf von Werten mindestens einer der Betriebszustandsgröße durch mehrere Tiefpassfilter 42 mit identischen, teilweise identischen oder unterschiedlichen vorgegebenen Zeitkonstanten τ₁ , τ₂ , τ₃ , τ₄ , τ₅ , τ₆ , τ₇ gefiltert werden und als jeweils separate Dimension (Eingangsgröße) des Eingangsgrößenvektors zur Berechnung der Partikelmengenangabe als Ausgangsgröße V berücksichtigt werden.
Weiterhin können Verzögerungselemente 44 vorgesehen sein, die eine oder mehrere der Betriebsgrößen und/oder eine oder mehrere der tiefpassgefilterten Betriebsgrößen mit einer jeweils vorgegebenen zeitlichen Verzögerung D1 -D6 zeitlich verzögern. Insbesondere kann die zeitliche Verzögerung D1 -D6 getrennt für jede betreffende Eingangsgröße B1 -B7 einstellbar sein. D.h. die zeitlichen Verzögerungen können identisch, teilweise identisch oder unterschiedlich vorgegeben sein. Damit lassen sich zeitliche Offset für die verschiedenen zugrundeliegenden Betriebszustandsgrößen B1 -B7 angleichen. Eine Änderung einer in der Luftzuführung gemessenen Betriebszustandsgröße B1 -B7 resultiert zeitlich verzögert in einer Änderung einer Partikelmengenabgabe (Ruß).
In einem Integrationsblock 43 kann die Partikelmengenangabe V integriert werden, um eine Partikelbeladung B der Abgasnachbehandlungseinrichtung 13 zu ermitteln.
In 4 ist beispielhaft ein Verfahren zum Betreiben des Motorsystems 1 in Form eines Flussdiagramms dargestellt.
In Schritt S1 wird ausgehend von einer Minimalbeladung der Abgasnachbehandlungseinrichtung 13 ein Integrator des Integrationsblocks 43 zurückgesetzt.
In Schritt S2 wird wie oben beschrieben eine Partikelmengenangabe, die eine Partikelkonzentration oder eine Partikelmasse pro Zeiteinheit angibt, ermittelt und abhängig von einem Abgasmassenstrom zu einer Partikelmenge, die pro Zeiteinheit der Abgasnachbehandlungseinrichtung 13 zugeführt wird, umgerechnet.
In Schritt S3 wird die Partikelmenge, die pro Zeiteinheit der Abgasnachbehandlungseinrichtung 13 zugeführt wird, in dem Integrationsblock 43 integriert, um eine aktuelle Partikelbeladung der Abgasnachbehandlungseinrichtung 13 zu erhalten.
In der Abfrage des Schritts S4 wird überprüft, ob die Partikelbeladung der Abgasnachbehandlungseinrichtung 13 einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt. Ist dies der Fall (Alternative: Ja), so wird in Schritt S5 ein Betriebszustand eingenommen, bei dem die Abgasnachbehandlungseinrichtung 13 regeneriert wird und anschließend zu Schritt S1 zurückgesprungen. Andernfalls (Alternative: Nein) wird das Verfahren mit Schritt S2 fortgesetzt, so dass zyklisch die Partikelmengenangabe ermittelt und entsprechend integriert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008004218 A1 [0005]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Motorsystems (1) mit einem Verbrennungsmotor (2), mit folgenden Schritten: - Erfassen von aktuellen Werten von Betriebszustandsgrößen (B1 -B7) während des Betriebs des Verbrennungsmotors (2); - Tiefpassfiltern mindestens einer der Betriebszustandsgrößen (B1 -B7) mit einer oder mehreren Zeitkonstanten, um eine oder mehrere tiefpassgefilterte Betriebszustandsgrößen (B1' -B5', B7') zu erhalten; - Berechnen einer Partikelmengenangabe eines Verbrennungsabgases des Verbrennungsmotors (2) mit einem datenbasierten nichtparametrischen Funktionsmodell abhängig von einem Eingangsgrößenvektor aus Eingangsgrößen, wobei die Eingangsgrößen keine, eine oder mehrere der Betriebsgrößen (B1 - B7) und die eine oder die mehreren tiefpassgefilterten Betriebszustandsgrößen (B1' -B5', B7') umfasst; und - Betreiben des Motorsystems (1) abhängig von der Partikelmengenangabe (V).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das datenbasierte nicht-parametrische Funktionsmodell ein Gauß-Prozess-Modell umfasst oder diesem entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Eingangsgrößenvektor mehrere tiefpassgefilterte Betriebszustandsgrößen (B1' -B5', B7') basierend auf dem Verlauf einer der Betriebszustandsgrößen (B1 - B7) umfasst, wobei die mehreren tiefpassgefilterten Betriebszustandsgrößen (B1' -B5', B7') bezüglich unterschiedlicher vorgegebener Zeitkonstanten (τ₁, τ₂, τ₃, τ₄ τ₅, τ₆, τ₇) ermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Eingangsgrößen eine oder mehrere Größen umfassen, die durch zeitliche Verzögerung einer oder mehrerer der Betriebszustandsgrößen (B1 -B7) und/oder einer oder mehreren der tiefpassgefilterten Betriebszustandsgrößen (B1' -B5', B7'), insbesondere mit separaten zeitlichen Verzögerungen (D1 - D6), ermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Motorsystem (1) betrieben wird, indem die Partikelmengenangabe (V) oder eine darauf basierende Angabe integriert wird, um eine aktuelle Partikelbeladung (B) einer Abgasnachbehandlungseinrichtung (13) zu ermitteln, wobei abhängig von der Partikelbeladung (V) ein Betriebszustand eingenommen wird, um die Abgasnachbehandlungseinrichtung (13) zu regenerieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Motorsystem (1) betrieben wird, indem die Partikelmengenangabe (V) oder eine darauf basierende Angabe integriert wird, um eine aktuelle Partikelbeladung (B) einer Abgasnachbehandlungseinrichtung (13) zu ermitteln, und eine Diagnose einer Abgasnachbehandlungseinrichtung (13) abhängig von der aktuellen Partikelbeladung (B) der Abgasnachbehandlungseinrichtung (13) und abhängig von einer Messung einer Partikelmenge mit einem Partikelsensor stromabwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung (13) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die mindestens eine Betriebszustandsgröße (B1 -B7) umfasst: - einen Frischluftmassenstrom in den Verbrennungsmotor (2), - eine Ansauglufttemperatur, - einen Lambda-Wert des zugeführten Gasmassenstroms, - eine Menge von eingespritztem Kraftstoff, - eine Motortemperatur, - eine Motordrehzahl, - einen Abgasmassenstrom, - eine Abgastemperatur, - einen Lambda-Wert des Verbrennungsabgases, - einen Umgebungsdruck.
Vorrichtung, insbesondere Steuergerät, zum Betreiben eines Motorsystems (1) mit einem Verbrennungsmotor (2), wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um: - aktuelle Werten von Betriebszustandsgrößen (B1 -B7) während des Betriebs des Verbrennungsmotors (2) zu erfassen; - mindestens eine der Betriebszustandsgrößen (B1 -B7) mit einer oder mehreren Zeitkonstanten (τ₁, τ₂, τ₃, τ₄ τ₅, τ₆, τ₇) tiefpasszufiltern, um eine oder mehrere tiefpassgefilterte Betriebszustandsgrößen (B1' -B5', B7') zu erhalten; - eine Partikelmengenangabe (V) eines Verbrennungsabgases des Verbrennungsmotors (2) mit einem vorgegebenen datenbasierten nichtparametrischen Funktionsmodell abhängig von einem Eingangsgrößenvektor aus Eingangsgrößen zu berechnen, wobei die Eingangsgrößen keine, eine oder mehrere der Betriebsgrößen (B1 -B7) und die eine oder die mehreren tiefpassgefilterten Betriebszustandsgrößen (B1' -B5', B7') umfasst; - das Motorsystem (2) abhängig von der Partikelmengenangabe (V) zu betreiben.
Motorsystem (1), umfassend: - einen Verbrennungsmotor (2); - eine Vorrichtung nach Anspruch 8.
Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach Anspruch 10 gespeichert ist.