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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur modellbasierten Steuerung und Regelung einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Das Verhalten einer Brennkraftmaschine wird maßgeblich über ein Motorsteuergerät in Abhängigkeit eines Leistungswunsches bestimmt. Hierzu sind in der Software des Motorsteuergeräts entsprechende Kennlinien und Kennfelder appliziert. Über diese werden aus dem Leistungswunsch, insbesondere 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 bei einem Prüfstandslauf. Die Vielzahl dieser Kennlinien/Kennfelder und die Wechselwirkung der Kennlinien/Kennfelder untereinander verursachen allerdings einen hohen Abstimmungsaufwand.
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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. Da lediglich trainierte Daten abgebildet werden, müssen diese zuerst bei einem Prüfstandslauf gelernt werden.
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Aus der
DE 10 2018 001 727 A1 ist ein Verfahren zur modellbasierten Steuerung und Regelung einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem über ein adaptierbares Verbrennungsmodell die Einspritzsystem-Sollwerte zur Ansteuerung des Einspritzsystems berechnet werden. Das Verbrennungsmodell beinhaltet ein erstes Gauß-Prozessmodell zur Darstellung eines Grundgitters und ein zweites Gauß-Prozessmodell zur Darstellung von Adaptionsdatenpunkten. Ermittelt werden die Datenwerte für das erste und zweite Gauß-Prozessmodell bei einem DoE-Prüfstandslauf des Vollmotors und bei einem Einzylinder-Prüfstandslauf. Das Adaptionsverfahren ist in der Form ausgeführt, dass ein aktueller Adaptionsdatenpunkt in das zweite Gauß-Prozessmodell übernommen wird, wenn der Adaptionsdatenpunkt innerhalb des aktuellen Konfidenzbereichs liegt. Der Konfidenzbereich berechnet sich aus der Varianz. Liegt der Adaptionsdatenpunkt außerhalb des Konfidenzbereichs, so werden aus dem zweiten Gauß-Prozessmodell zuvor gespeicherte Adaptionsdatenpunkte iterativ entfernt und zwar so lange, bis der aktuelle Adaptionsdatenpunkt innerhalb des geänderten Konfidenzbereichs liegt. Bei Prüfstandsversuchen hat es sich gezeigt, dass die Adaption in den wenig gefahrenen Betriebsbereichen eine zu starke Veränderung des zweiten Gauß-Prozessmodells und damit des Verbrennungsmodells bewirken kann.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das zuvor beschriebene Verfahren zur Adaption des Verbrennungsmodells hinsichtlich einer besseren Güte weiterzuentwickeln und ergänzend die Datenermittlung zu vereinfachen.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale von Anspruch 1 und Anspruch 7. Die Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen dargestellt.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren nach Anspruch 1 wird im stationären Betrieb zyklisch vom Normalbetrieb auf einen Explorationsbetrieb umgeschaltet, wobei im Explorationsbetrieb ein Explorationsgütemaß in Abhängigkeit des Verbrennungsmodells und dessen Varianz berechnet wird. Ferner wird das Explorationsgütemaß als maßgeblich zur Einstellung des Betriebspunkts der Brennkraftmaschine gesetzt und anhand der Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine das Verbrennungsmodell über das zweite Gauß-Prozessmodell adaptiert. Danach wird auf den Normalbetrieb zurückgeschaltet.
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Die zentrale Idee der Erfindung besteht darin, die Kenntnis der Varianz im Explorationsbetrieb systematisch zu nutzen. Durch die zusätzliche Berücksichtigung der Varianz werden diejenigen Betriebspunkte aufgefunden, in denen ein neuer Messwert zu einer möglichst hohen Verbesserung der zukünftigen Betriebspunkte nach der Adaption des zweiten Gauß-Prozessmodells führen könnte.
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Berechnet wird das Explorationsgütemaß über Minimumfindung einer Zugehörigkeitsfunktion, wobei die Zugehörigkeitsfunktion bestimmt wird, indem vom Erwartungswert des Verbrennungsmodells eine Funktion „Erwartete Verbesserung“ subtrahiert wird. Ergänzend beurteilt das Verfahren die Varianz, indem Betriebsbereiche hoher Varianz über eine Grenzwertprüfung ausgeschlossen werden. Da die Bereiche des Verbrennungsmodells mit einer sehr hohen Unsicherheit nicht berücksichtigt werden, wirkt die Adaption im typischen Arbeitsbereich der Brennkraftmaschine und nicht in extremen Randbereichen, die nicht relevant sind. Die Funktion Erwartete Verbesserung wird berechnet indem der Erwartungswert des Verbrennungsmodells und dessen Varianz mit einem Referenzwert, zum Beispiel einem minimalen Kraftstoffverbrauch, verglichen werden. Der Referenzwert entspricht einem gemessenen Datenwert oder wurde zuvor im Normalbetrieb anhand des minimierten Gütemaßes bestimmt.
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In einer Option ist vorgesehen, dass mittels des Explorationsgütemaßes berechnete Vorgabegrößen vor Aufschaltung anhand von Ungleichungsbedingungen überprüft werden und die Vorgabegrößen entsprechend gesperrt oder freigegeben werden, je nachdem ob der Wert der Vorgabegröße zu einer Verletzung der Ungleichungsbedingungen führt oder nicht. Unter Ungleichungsbedingungen ist beispielsweise der maximale Verbrennungsdruck zu verstehen. Aus der Berücksichtigung dieser Nebenbedingungen resultiert die Kenntnis wie stark der Berechnung der Betriebsgrenzen vertraut werden kann.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren nach Anspruch 7 wird das Modell des Gesamtverhaltens der Brennkraftmaschine bei einem Prüfstandslauf bestimmt, indem in einem Explorationsbetrieb die Daten entsprechend der zuvor beschriebenen Vorgehensweise anhand einer erwarteten Verbesserung, einer Zugehörigkeitsfunktion und einer Varianzprüfung ermittelt werden. Optional kann hier ebenfalls die Einhaltung von Gleichungs- und Ungleichungsbedingungen berücksichtig werden.
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In den Figuren ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt. Es zeigen:
- 1 ein modellbasiertes Systemschaubild,
- 2 ein Blockschaltbild,
- 3 ein Diagramm des Verbrennungsmodells,
- 4 ein Diagramm der Funktion EI,
- 5 ein Diagramm Bewertung der Varianz,
- 6 ein Diagramm der Zugehörigkeitsfunktion,
- 7 ein Diagramm zur Ungleichungsbedingung,
- 8 ein Diagramm Bewertung der Varianz und
- 9 einen Programm-Ablaufplan.
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Die 1 zeigt ein modellbasiertes Systemschaubild zur Steuerung und Regelung einer Brennkraftmaschine 1 über ein elektronisches Steuergerät 2. Die Eingangsgrößen des elektronischen Steuergeräts sind: eine erste Bibliothek Biblio1, eine zweite Bibliothek Biblio 2, Messgrößen MESS und das Sammelbezugszeichen EIN, welches stellvertretend für die weiteren Vorgabegrößen steht, beispielsweise ein von einem Bediener vorgegebenes Soll-Moment oder eine Soll-Drehzahl. Die erste Bibliothek Biblio 1 kennzeichnet den Betrieb der Brennkraftmaschine gemäß der Emissionsklasse MARPOL (Marine Pollution) der IMO oder gemäß der Emissionsklasse EU IV / Tier 4 final. Die zweite Bibliothek Biblio 2 kennzeichnet den Brennkraftmaschinentyp und eine maximale mechanische Bauteilbelastung, zum Beispiel den maximalen Verbrennungsdruck oder die maximale Drehzahl des Abgasturboladers. Die Eingangsgröße MESS kennzeichnet die sowohl unmittelbar gemessenen physikalischen Größen als auch daraus berechnete Hilfsgrößen. Die Ausgangsgrößen des elektronischen Steuergeräts sind: die Sollwerte für die unterlagerten Regelkreise, der Spritzbeginn SB und das Spritzende SE. Als unterlagerte Regelkreise sind ein Raildruck-Regelkreis 7, ein Lambda-Regelkreis 8 und ein AGR-Regelkreis 9 dargestellt. Innerhalb des elektronischen Steuergeräts 2 sind ein Verbrennungsmodell 3, eine Adaption 4, ein Gaspfadmodell 5 und ein Optimierer 6 angeordnet. Sowohl das Verbrennungsmodell 3 als auch das Gaspfadmodell 5 bilden das Systemverhalten der Brennkraftmaschine als mathematische Gleichungen ab. Das Verbrennungsmodell 3 bildet statisch die Vorgänge bei der Verbrennung ab. Im Unterschied hierzu bildet das Gaspfadmodell 5 das dynamische Verhalten der Luftführung und der Abgasführung ab. Das Verbrennungsmodell 3 beinhaltet Einzelmodelle zum Beispiel für die NOx- und die Rußentstehung, für die Abgastemperatur, für den Abgasmassenstrom und für den Spitzendruck. Diese Einzelmodelle wiederum sind abhängig von den Randbedingungen im Zylinder und den Parametern der Einspritzung. Bestimmt wird das Verbrennungsmodell 3 bei einer Referenz-Brennkraftmaschine in einem DoE-Prüfstandslauf (DoE: Design of Experiments). Beim DoE-Prüfstandslauf werden systematisch Betriebsparameter und Stellgrößen mit dem Ziel variiert, das Gesamtverhalten der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von motorischen Größen und Umweltrandbedingungen abzubilden. Ergänzt wird das Verbrennungsmodell 3 um die Adaption 4. Ziel der Adaption ist es, die Serienstreuung einer Brennkraftmaschine zu verringern.
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Nach Aktivierung der Brennkraftmaschine
1 liest der Optimierer
6 zunächst aus der ersten Bibliothek Biblio1 die Emissionsklasse und aus der zweiten Bibliothek Biblio2 die maximalen mechanischen Bauteilbelastungen ein. Anschließend wertet der Optimierer
6 das Verbrennungsmodell
3 aus und zwar hinsichtlich des Vorgabewerts, beispielsweise dem Sollmoment, der Emissionsgrenzwerte, der Umweltrandbedingungen, zum Beispiel der Feuchte der Ladeluft, der Betriebssituation der Brennkraftmaschine und der Adaptionsdatenpunkte. Definiert wird die Betriebssituation insbesondere durch die Motordrehzahl, die Ladelufttemperatur und den Ladeluftdruck. Die Funktion des Optimierers
6 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
6 diejenige Lösung aus, bei der ein Gütemaß minimiert wird. Berechnet wird das Gütemaß als Integral der quadratischen Soll-Istabweichungen innerhalb des Prädiktionshorizonts. Beispielsweise in der Form:
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Hierin sind w1, w2 und w3 Gewichtungsfaktoren und entspricht M(SOLL) dem vorgegebenen Soll-Moment. Bekanntermaßen ergeben sich die Stickoxidemission aus der Feuchte der Ladeluft, der Ladelufttemperatur, dem Spritzbeginn SB und dem Raildruck pCR. In die tatsächlichen Istwerte, zum Beispiel den NOx-Istwert oder dem Abgastemperatur-Istwert, greift die Adaption 4 ein.
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Minimiert wird das Gütemaß, indem vom Optimierer 6 zu einem ersten Zeitpunkt ein erstes Gütemaß berechnet wird, die Einspritzsystem-Sollwerte sowie die Gaspfad-Sollwerte variiert werden und anhand dieser ein zweites Gütemaß für das Systemverhalten innerhalb des Prädiktionshorizonts prognostiziert wird. Aus der Abweichung der beiden Gütemaße zueinander legt dann der Optimierer 6 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 7. Die Stellgröße des Raildruck-Regelkreises 7 entspricht dem PWM-Signal zu Beaufschlagung der Saugdrossel. Mit dem Spritzbeginn SB und dem Spritzende SE wird der Injektor zur Kraftstoffeinspritzung unmittelbar beaufschlagt. Für den Gaspfad bestimmt der Optimierer 6 mittelbar die Gaspfad-Sollwerte. Bei dem dargestellten Beispiel sind dies ein LambdaSollwert LAM(SL) und ein AGR-Sollwert AGR(SL) zur Vorgabe für den unterlagerten Lambda-Regelkreis 8 und den unterlagerten AGR-Regelkreis 9. Die Stellgrößen der beiden Regelkreise 8 und 9 entsprechen dem Signal TBP zur Ansteuerung des Turbinen-Bypasses, dem Signal AGR zur Ansteuerung des AGR-Stellglieds und dem Signal DK zur Ansteuerung der Drosselklappe. Die rückgeführten Messgrößen MESS werden vom elektronischen Steuergerät 2 eingelesen. Unter den Messgrößen MESS sind sowohl unmittelbar gemessene physikalische Größen als auch daraus berechnete Hilfsgrößen zu verstehen. Bei dem dargestellten Beispiel werden der Lambda-Istwert und der AGR-Istwert eingelesen.
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Die
2 zeigt in einem Blockschaltbild das Zusammenwirken der beiden Gauß-Prozessmodelle zur Adaption des Verbrennungsmodells. Gauß-Prozessmodelle sind dem Fachmann bekannt, zum Beispiel aus der
DE 10 2014 225 039 A1 oder der
DE 10 2013 220 432 A1 . Ganz allgemein wird ein Gaußprozess definiert durch eine Mittelwertfunktion und eine Kovarianzfunktion. Die Mittelwertfunktion wird häufig zu Null angenommen oder ein linearer/polynomieller Verlauf eingeführt. Die Kovarianzfunktion gibt den Zusammenhang beliebiger Punkte an. Ein erster Funktionsblock
10 beinhaltet die DoE-Daten (DoE: Design of Experiments) des Vollmotors. Ermittelt werden diese Daten für eine Referenz-Brennkraftmaschine bei einem Prüfstandslauf, indem im stationär fahrbaren Bereich der Brennkraftmaschine alle Variationen der Eingangsgrößen über deren gesamten Stellbereich ermittelt werden. Diese Daten kennzeichnen mit hoher Genauigkeit das Verhalten der Brennkraftmaschine im stationär fahrbaren Bereich. Ein zweiter Funktionsblock
11 beinhaltet Daten, welche an einem Einzylinderprüfstand gewonnen werden. Beim Einzylinderprüfstand lassen sich diejenigen Betriebsbereiche einstellen, zum Beispiel große geodätische Höhe oder extreme Temperaturen, die bei einem DoE-Prüfstandslauf nicht abgeprüft werden können. Diese wenigen Messdaten dienen als Grundlage für die Parametrierung eines physikalischen Modells, welches das globale Verhalten der Verbrennung in Form von Trendinformationen, Bezugszeichen
12, grob richtig wiedergibt. Das physikalische Modell stellt das Verhalten der Brennkraftmaschine in extremen Randbedingungen grob dar. Über Extrapolation wird das physikalische Modell vervollständigt, sodass ein normaler Betriebsbereich grob richtig beschrieben wird. In der
2 ist das extrapolationsfähige Modell mit dem Bezugszeichen
13 gekennzeichnet. Aus diesem wiederum wird das erste Gauß-Prozessmodell
14 (GP1) zur Darstellung eines Grundgitters erzeugt.
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Die Zusammenführung der beiden Mengen von Datenpunkten bildet das zweite Gauß-Prozessmodell
15. Damit werden die Betriebsbereiche der Brennkraftmaschine, welche durch die DoE-Daten beschrieben sind auch durch diese Werte festgelegt und werden die Betriebsbereiche, für die keine DoE-Daten vorliegen, durch Daten des physikalischen Modells wiedergegeben. Da das zweite Gauß-Prozessmodell im laufenden Betrieb adaptiert wird, dient es auch zur Darstellung der Adaptionsdatenpunkte. Ganz allgemein gilt für das Verbrennungsmodell
3 insgesamt:
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Hierbei entsprechen GP1 dem ersten Gauß-Prozellmodell zur Darstellung des Grundgitters, GP2 dem zweiten Gauß-Prozessmodell zur Darstellung der Adaptionsdatenpunkte und E(x) dem Verbrennungsmodell. Das Verbrennungsmodell ist die Eingangsgröße für den Optimierer, zum Beispiel einem NOx-Istwert oder einem Abgastemperatur-Istwert. Durch den Doppelpfeil in der Figur sind zwei Informationswege dargestellt. Der erste Informationsweg kennzeichnet die Datenbereitstellung des Grundgitters vom ersten Gauß-Prozessmodell 14 an das Verbrennungsmodell. Der zweite Informationsweg kennzeichnet die Rückanpassung des ersten Gauß-Prozessmodells 14 über das zweite Gauß-Prozessmodell 15.
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Ergänzt wird das Blockschaltbild um den Optimierer 6, eine Exploration 16 und einen Schalter S. Sowohl der Optimierer 6 als auch die Exploration 16 haben Zugriff auf das Verbrennungsmodell 3 mit dem ersten und dem zweiten Gauß-Prozessmodell. Im Normalbetrieb befindet sich der Schalter S in der Stellung 1. In der Stellung 1 werden die Eingangsgrößen der Brennkraftmaschine 1 vom Optimierer 6 über das minimierte Gütemaß J(MIN) vorgegeben. Der Schalter S wechselt in die Stellung 2, wenn ein stationärer Betrieb vorliegt und eine Zeitstufe abgelaufen ist. In der Stellung 2 bestimmt die Exploration 16 über das Explorationsgütemaß J(EXP) die Eingangsgrößen der Brennkraftmaschine 1. Unter Eingangsgrößen sind die in der 2 dargestellten Größen zur Festlegung eines Betriebspunkts der Brennkraftmaschine 1 zu verstehen, zum Beispiel der Spritzbeginn SB oder der Soll-Raildruck pCR(SL). Die gemessenen Parameter der Brennkraftmaschine 1 (2: MESS) werden über einen Rückkopplungspfad auf das zweite Gauß-Prozessmodell 15 zurückgeführt und sind die Grundlage zur Adaption des zweiten Gauß-Prozessmodells. In der 2 ist mit dem Bezugszeichen 10A eine Alternative dargestellt. Bei dieser Alternative werden die DoE-Daten auf dem Prüfstand analog zur Vorgehensweise zur Berechnung des Explorationsgütemaßes einschließlich der Ungleichungsbedingungen festgelegt. Die Alternative bietet den Vorteil einer verkürzten Prüfstandserprobung.
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Die weitere Erläuterung zur Festlegung des Explorationsgütemaßes J(EXP) erfolgt anhand der 3 bis 6. Die 3 zeigt in einem Diagramm eine Komponente E1(x) des Verbrennungsmodells über einer Stellgröße x. Zum besseren Verständnis entspricht in der weiteren Beschreibung die Stellgröße x einem Spritzbeginn SB und die Komponente E1(x) des Verbrennungsmodells 3 einem Kraftstoffverbrauch. Ziel ist es, einen minimalen Kraftstoffverbrauch unter Einhaltung von Emissionszielen und weiteren Randbedingungen einzustellen. Innerhalb des Diagramms ist als durchgezogene Linie der Erwartungswert 17 und als schraffierter Bereich die Varianz VAR als Maß einer Unsicherheit dargestellt, zum Beispiel dem Konfidenzbereich, bei dem mit einer Wahrscheinlichkeit von 95% das reale Systemverhalten innerhalb dieser Unsicherheit liegt. Die Punkte A, B und C entsprechen gemessenen Datenwerten, also echten Datenwerten. Der Verlauf des Erwartungswerts 17 wiederum wurde im Verbrennungsmodell berechnet. Im Normalbetrieb bestimmt der Optimierer über das minimierte Gütemaß J(min) den Betriebspunkt der Brennkraftmaschine. Zur Einstellung des minimalen Kraftstoffverbrauchs wird vom Optimierer im Normalbetrieb derjenige Erwartungswert ermittelt, bei dem diese Vorgabe erfüllt ist.
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Im Explorationsbetrieb wird im Unterschied zum Normalbetrieb auch die Varianz betrachtet. In einem ersten Schritt erfolgt eine Minimumfindung des Verbrauchs. Bei der Auswertung der Komponente E1(x) des Verbrennungsmodells und deren Varianz VAR erkennt man in der 3 noch weitere Stellen, an denen der minimale Verbrauch liegen könnte, zum Beispiel bei einem Abszissenwert x=0,55 oder an den äußeren Rändern, hier: Datenwerte (0/-1) oder (1/-1). Die Idee der Exploration besteht nun darin, zu prüfen, ob an diesen Stellen tatsächlich ein geringerer Kraftstoffverbrauch möglich ist. Letztendlich fährt man Punkte abweichend vom bisherigen Minimum an, um zu testen, ob dort tatsächlich ein geringerer Kraftstoffverbrauch möglich ist. In der 3 ist beispielhaft hierzu ein Testpunkt D eingezeichnet. In einem zweiten Schritt der Exploration wird eine Funktion EI („Erwartete Verbesserung“/Expected Improvement) berechnet. Die 4 zeigt diese Funktion EI(x) über der Größe x. Berechnet wird die Funktion EI(x) indem der Wertebereich (0, 1) der Größe x der 3 durchfahren wird und für jeden Punkt dessen Erwartungswert und dessen Varianz in Bezug auf den Punkt B ausgewertet wird. Der Punkt B ist ein gemessener Datenwert, der als Referenzwert dient. Aus der 4 ergibt sich für den Testpunkt D eine erwartete Verbesserung von etwa -0.13 in Bezug auf den Referenzwert, also dem Punkt B. Für die Datenwerte A, B und C aus der 3 ergibt sich in der 4 ein El-Wert von Null in Bezug auf das Optimum am Punkt B.
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In einem dritten Schritt wird die Varianz der Komponente E1(x) des Verbrennungsmodells bewertet. Dies entspricht der Darstellung der 5, bei der die Varianz VAR(x) über der Größe x dargestellt ist. Hierbei werden Bereiche mit sehr hoher Varianz ausgeschlossen. Ziel ist es Bereiche in denen die Brennkraftmaschine nicht betrieben wird auszuschließen und im Bereich der üblichen Lösung zu bleiben. In der 5 ist exemplarisch ein Maximalwert MAX der zulässigen Varianz eingezeichnet. Schraffiert dargestellt sind die Bereiche, in denen dann die Varianz VAR(x) diesen Maximalwert übersteigt.
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In einem vierten Schritt wird nun eine Zugehörigkeitsfunktion AF (Affiliation Function) bestimmt. Diese ist in der
6 dargestellt. Bestimmt wird die Zugehörigkeitsfunktion aus der Differenz des Erwartungswerts
17 des Verbrennungsmodells der
3 und der Funktion EI(x) der
4. Aus dem Verlauf der Zugehörigkeitsfunktion AF(x) ergibt sich ein Minimum des Verbrauchs, Punkt H, für einen Spritzbeginn bei x=0.55. Mit anderen Worten: Aus der Zugehörigkeitsfunktion AF(x) wird eine möglichst hohe Verbesserung des Verbrauchs erwartet. Danach wird der gewählte Betriebspunkt H als Vorgabegröße der Brennkraftmaschine aufgeschaltet. Beim dargestellten Beispiel entspricht der gewählte Betriebspunkt H bzw. die sich hieraus ergebenden Stellgrößen dem Explorationsgütemaß J(EXP). Ganz allgemein kann das Explorationsgütemaß J(EXP) auch durch weitere Kriterien festgelegt werden. Der weitere Ablauf entspricht dann der aus der
DE 10 2018 001 727 A1 bekannten Vorgehensweise zur Modelladaption, das heißt, anhand der Messgrößen MESS wird der neue Punkt in das zweite Gauß-Prozessmodell aufgenommen und in den Normalmodus (
2: S=1) zurückgewechselt.
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In den 7 ist eine optionale Ergänzung zum Explorationsbetrieb dargestellt. Über die Ergänzung wird die Sicherheit verbessert, indem Gleichungs- und Ungleichungsbedingungen berücksichtig werden. Eine Gleichungsbedingung entspricht einem Festwert, zum Beispiel NOx=10 g/kWh. Eine Ungleichungsbedingung entspricht einem Bereich, zum Beispiel NOx < 10 g/kWh oder der gemessene Verbrennungsdruck muss kleiner als der maximaler Verbrennungsdruck sein. Dargestellt ist eine Ungleichungsbedingung h(x) über der Größe x, hier: der Spritzbeginn, und als schraffierte Bereich eine Varianz VAR mit einem Konfidenzbereich von 95%. Eingezeichnet sind drei Datenpunkte E, F und G. In den Datenpunkten, die im Modell berücksichtigt sind, kann die Ungleichungsbedingung ausgewertet werden, dazwischen gilt die Interpolation des Verbrennungsmodells mit entsprechender Unsicherheit (Varianz). Ergänzend gilt die Vorgabe, dass die Ungleichungsbedingung h(x) kleiner als Null sein muss. Mit anderen Worten: der im Verbrennungsmodell berechnete Verbrennungsdruck muss kleiner als der maximale Verbrennungsdruck sein, welcher in der Bibliothek Biblio2 hinterlegt ist. Daher ist der Bereich oberhalb des Ordinatenwerts Null mit dem Datenpunkt F nicht zulässig. In einem zweiten Schritt wird anschließen die Varianz ausgewertet, siehe 8, und eine Wahrscheinlichkeitsfunktion P(x) aus der Varianz und dem Erwartungswert berechnet. Die Wahrscheinlichkeitsfunktion beschreibt die Wahrscheinlichkeit, mit der die Beschränkung verletzt wird. In der 8 ist ein Maximalwert MAX eingezeichnet. Größere Werte der Wahrscheinlichkeitsfunktion P(x) als der Maximalwert MAX werden ausgespart. Die schraffierten Bereiche entsprechen daher den nicht zulässigen Bereichen. Liegt beispielweise der über die Zugehörigkeitsfunktion AF (6) bestimmte Punkt H, also der Punkt minimalen Verbrauchs, im zulässigen Varianzbereich der 8, so wird hieraus das Explorationsgütemaß J(EXP) abgeleitet und der Brennkraftmaschine aufgeschaltet. Liegt hingegen der Punkt H in einem der drei nicht zulässigen Bereiche der 8, so wird ein neuer Punkt gesucht, der im zulässigen Bereich der 8 liegt.
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In der 9 ist das Verfahren in einem Programm-Ablaufplan dargestellt. Nach dem Start des Programms wird bei S1 abgefragt, ob die Bedingungen für den Wechsel des Betriebsmodus erfüllt sind. Die Bedingungen sind dann erfüllt, wenn die Brennkraftmaschine in einem stationären Zustand sich befindet und eine Zeitstufe abgelaufen ist. Über die Zeitstufe erfolgt ein zyklisches Setzen des Explorartionsbetriebs. Ein stationärer Zustand liegt beispielsweise bei einer konstanten Motordrehzahl oder einem konstanten Moment vor. Ist die Bedingung bei S1 nicht erfüllt, Abfrageergebnis: nein, so bleibt bei S2 der Normalbetrieb gesetzt. Im Normalbetrieb berechnet der Optimierer das minimierte Gütemaß und setzt die hieraus sich ergebenden Sollwerte als maßgeblich für die Brennkraftmaschine. Bei S3 wird geprüft, ob ein Motorstopp initiiert wurde. Ist dies der Fall, Abfrageergebnis: ja, ist der Programm-Ablaufplan beendet. Anderenfalls wird zum Punkt A zurückverzweigt. Ist die Bedingung bei S1 erfüllt, Abfrageergebnis: ja, dann wird bei S4 der Explorationsbetrieb gesetzt. Im Anschluss wird bei S5 die Funktion EI (Erwartete Verbesserung/ Expected Improvement) berechnet. Berechnet wird die Funktion EI über die Wahrscheinlichkeit, dass der Erwartungswert (3: 17) des Verbrennungsmodells und dessen Varianz unterhalb des bisherigen Optimums, also dem Referenzwert (6: Punkt B) liegt. Bei S6 wird die Varianz bewertet, indem die Varianz mit einem maximal zulässigen Wert verglichen wird. Hierbei werden Bereiche mit sehr hoher Varianz ausgeschlossen. Ziel ist es Bereiche in denen die Brennkraftmaschine nicht betrieben wird auszuschließen und im Bereich der üblichen Lösung zu bleiben. Bei S7 wird die Zugehörigkeitsfunktion AF aus der Differenz des Erwartungswerts des Verbrennungsmodells minus der Funktion EI (Erwartete Verbesserung) berechnet. Über die Zugehörigkeitsfunktion AF wird dann letztendliche der Betriebspunkt bestimmt, der vermutlich die Vorgabe, beispielsweise minimaler Verbrauch, erfüllt. Bei S8 wird abgefragt, ob die Ungleichungsbedingungen gesetzt sind. Sind die Ungleichungsbedingungen nicht gesetzt, wird der Programm-Ablaufplan bei S11 fortgesetzt. Anderenfalls wird der Programmteil mit den Schritten S9 und S10 durchlaufen. Die Schritte S9 und S10 entsprechen einer Sicherheitsüberprüfung, beispielsweise ob der im Explorationsbetrieb berechnet minimale Verbrauch bzw. das Explorationsgütemaß über zulässige Werte der Stellgrößen, insbesondere einem maximalen Verbrennungsdruck, erreicht werden kann. Entsprechend wird bei S9 eine Ungleichungsfunktion h(x) und deren Varianz berechnet. Ergänzend wird geprüft, welche Bereiche der Ungleichungsfunktion h(x) einen vorgegeben Wert übersteigen. Bei S10 wiederum wird dann die Varianz VAR ausgewertet, indem eine Wahrscheinlichkeitsfunktion P(x) berechnet wird. Berechnet wird die Wahrscheinlichkeitsfunktion P(x) aus dem Erwartungswert und der Varianz der Ungleichungsfunktion h(x). Ziel ist es größere Werte der Wahrscheinlichkeitsfunktion P(x) als ein Maximalwert auszusparen. Beim dargestellten Beispiel wird davon ausgegangen, dass der über die Zugehörigkeitsfunktion berechnete Datenwert (6: Punkt H) zulässig ist. Danach wird der Programm-Ablaufplan mit S11 fortgesetzt und das Explorationsgütemaß als maßgeblich für den Betriebspunkt der Brennkraftmaschine gesetzt. Maßgeblich bedeutet, dass die sich aus dem Explorationsgütemaß ergebenden Stellgrößen, beispielsweise der Soll-Raildruck oder der Spritzbeginn usw., der Brennkraftmaschinen vorgegeben werden. Bei S12 werden die Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine erfasst, bei S13 in das zweite Gauß-Prozessmodell GP2 übernommen und das zweite Gauß-Prozessmodell GP2 adaptiert. Anschließend wird bei S14 der Normalbetrieb wieder gesetzt und zum Punkt A zurück verzweigt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennkraftmaschine
- 2
- Elektronisches Steuergerät
- 3
- Verbrennungsmodell
- 4
- Adaption
- 5
- Gaspfadmodell
- 6
- Optimierer
- 7
- Raildruck-Regelkreis
- 8
- Lambda-Regelkreis
- 9
- AGR-Regelkreis
- 10, 10A
- Erster Funktionsblock (DoE-Daten)
- 11
- Zweiter Funktionsblock (Daten Einzylinder)
- 12
- Funktionsblock Trendinformationen
- 13
- Modell, extrapolationsfähig
- 14
- Erstes Gauß-Prozessmodell (GP1)
- 15
- Zweites Gauß-Prozessmodell (GP2)
- 16
- Exploration
- 17
- Erwartungswert
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006004516 B3 [0003]
- US 2011/0172897 A1 [0003]
- DE 102018001727 A1 [0004, 0024]
- DE 102014225039 A1 [0017]
- DE 102013220432 A1 [0017]
