DE102020003174B4 - Verfahren zur modellbasierten Steuerung und Regelung einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Verfahren zur modellbasierten Steuerung und Regelung einer Brennkraftmaschine (1), bei dem von einem Optimierer (21) in einem ersten Schritt ein voroptimiertes Gütemaß (J(VO)) in Abhängigkeit der Betriebssituation (BS) berechnet wird, wobei bei der Berechnung des voroptimierten Gütemaßes (J(VO)) diskrete Stellgrößen mit diskreten Einstellwerten als kontinuierliche Stellgrößen (SG(k)) mit einem kontinuierlichen Einstellbereich interpretiert werden, bei dem in einem zweiten Schritt diese kontinuierlichen Stellgrößen (SG(k)) quantisiert und als neue diskrete Stellgrößen (SG(neu)) mit diskreten Einstellwerten gesetzt werden, bei dem vom Optimierer (21) in einem dritten Schritt ein nachoptimiertes Gütemaß (J(NA)) in Abhängigkeit der neuen diskreten Stellgrößen (SG(neu)) und der Betriebssituation (BS) der Brennkraftmaschine (1) berechnet wird und vom Optimierer (21) das nachoptimierte Gütemaß (J(NA)) als maßgeblich für den Betriebspunkt der Brennkraftmaschine (1) gesetzt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur modellbasierten Steuerung und Regelung einer Brennkraftmaschine, bei dem von einem Optimierer ein Gütemaß berechnet und als maßgeblich für den Betriebspunkt der Brennkraftmaschine gesetzt wird.
• Das Verhalten einer Brennkraftmaschine wird maßgeblich über ein Motorsteuergerät in Abhängigkeit eines Leistungswunsches bestimmt. Hierzu sind in der Software des Motorsteuergeräts üblicherweise entsprechende Kennlinien und Kennfelder appliziert. Über diese werden aus dem Leistungswunsch 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. Da hierbei trainierten Daten abgebildet werden, müssen diese zuerst bei einem Prüfstandslauf gelernt werden.
• Aus der DE 10 2017 005 783 A1 ist ein Verfahren zur modellbasierten Steuerung und Regelung einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem über ein Verbrennungsmodell die Sollwerte für die Einspritzsystem-Stellglieder und über ein Gaspfadmodell die Sollwerte für die Gaspfad-Stellglieder berechnet werden. Sowohl das Verbrennungsmodell als auch das Gaspfadmodell basieren auf Gauß-Prozessmodellen. Aus den Sollwerten bestimmt ein Optimierer wiederum ein Gütemaß und prognostiziert wie sich das Gütemaß bei einer Veränderung der Sollwerte innerhalb eines Prädiktionshorizonts entwickeln würde. Ist das bestmögliche Gütemaß berechnet, so setzt der Optimierer die Einspritzsystem-Sollwerte und die Gaspfad-Sollwerte als maßgeblich für den Betriebspunkt der Brennkraftmaschine.
• Aus der DE 10 2017 009 582 B3 ist ein Verfahren zur modellbasierten Steuerung und Regelung einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem von einem Optimierer aus einer ersten Bibliothek eine Emissionsklasse für den Betrieb der Brennkraftmaschine eingelesen und aus einer zweiten Bibliothek anhand des Brennkraftmaschinentyps eine maximale mechanische Bauteilbelastung ausgelesen wird. Die Emissionsklasse und die Bauteilbelastung werden als verbindlich für ein Verbrennungsmodell und ein Gaspfadmodell gesetzt. In Abhängigkeit eines Sollmoments werden über das Verbrennungsmodell Einspritzsystem-Sollwerte zur Ansteuerung der Einspritzsystem-Stellglieder und über das Gaspfadmodell Gaspfad-Sollwerte zur Ansteuerung der Gaspfad-Stellglieder berechnet. Vom Optimierer wird ein Gütemaß in Abhängigkeit der Einspritzsystem-Sollwerte und der Gaspfad-Sollwerte berechnet und das Gütemaß über Veränderung der Einspritzsystem-Sollwerte und Gaspfad-Sollwerte innerhalb eines Prädiktionshorizonts minimiert. Anschließend werden die Einspritzsystem-Sollwerte und Gaspfad-Sollwerte vom Optimierer anhand des minimierten Gütemaßes als maßgeblich zur Einstellung des Betriebspunkts der Brennkraftmaschine gesetzt.
• Aus der DE 10 2018 001 727 A1 ist ebenfalls ein Verfahren zur modellbasierten Steuerung und Regelung einer Brennkraftmaschine mittels eines Verbrennungs- und eines Gaspfadmodells bekannt. Gemäß diesem Verfahren wird das Verbrennungsmodell im laufenden Betrieb der Brennkraftmaschine adaptiert.
• Aus der DE 10 2019 114 617 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem mehrere kontinuierliche Stellglieder gesteuert werden, um eine diskrete Betriebsart in einem System zu erreichen. Gemäß dem Verfahren wird ein gewünschter Ausgabezustand des Systems bestimmt, einschließlich dem Verarbeiten eines Steuereingabesatzes für die mehreren kontinuierlichen Stellglieder über ein dynamisches Voraussagemodell des Systems. Dann wird der Steuereingabesatz über das dynamische Vorhersagemodell verarbeitet, um mögliche Steuerlösungen zum Erreichen des gewünschten Ausgabezustands des Systems an einem kalibrierten zukünftigen Zeitpunkt zu bestimmen. Es wird ein Kostenfunktionslogikblock verwendet, um aus den möglichen Steuerungslösungen die kostengünstigste Steuerungslösung zum Ausführen eines diskreten Modus' zu dem zukünftigen Zeitpunkt zu identifizieren, diese kostengünstigste Steuerungslösung durch einen Echtzeit-Optimierungslogikblock zu verarbeiten, um eine optimierte Lösung für den diskreten Modus zu ermitteln, und dann die optimierte Lösung zum zukünftigen Zeitpunkt auszuführen.
• Bei Prüfstandsversuchen hat es sich gezeigt, dass die Einbindung von Stellgrößen mit diskreten Schaltzuständen in das zuvor beschriebene modellbasierte Verfahren noch nicht zufriedenstellend ist. Unter Stellgrößen mit diskreten Schaltzuständen sind zum Beispiel die Zuschaltung des zweiten Abgasturboladers bei einer Registeraufladung, eine Zylinderbank-Abschaltung, die Aktivierung einer Vor- oder Nacheinspritzung und die Auf- oder Schließstellung diverser Klappen zu verstehen. Sogenannte Branch- und Boundverfahren zur optimalen Lösungsfindung bei diskreten Stellgrößen sind sehr rechenaufwendig, da im schlechtesten Fall alle kombinatorischen Möglichkeiten der diskreten Stellgrößen untersucht werden müssen. Deren Anwendung bei einer Brennkraftmaschine führt rasch zu sehr komplexen Strukturen, welche auf einem Motorsteuergerät nicht darstellbar sind.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das zuvor beschriebene modellbasierte Verfahren hinsichtlich der Einbindung von Stellgrößen zu verbessern.
• Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale von Anspruch 1. Die Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen dargestellt.
• Das Verfahren wird in drei Schritten ausgeführt. Im ersten Schritt berechnet der Optimierer in Abhängigkeit der Betriebssituation ein voroptimiertes Gütemaß, wobei die diskrete Stellgrößen mit diskreten Einstellwerten als kontinuierliche Stellgrößen mit einem kontinuierlichen Einstellbereich interpretiert werden. Das voroptimierte Gütemaß ist eine Rechengröße, das heißt, dieses wird nicht der Brennkraftmaschine aufgeschaltet. Im zweiten Schritt werden dann diese kontinuierlichen Stellgrößen quantisiert und als neue diskrete Stellgrößen mit diskreten Einstellwerten gesetzt. Die Quantisierung erfolgt anhand von Schaltschwellen nebst Hysterese. Schließlich wird dann im dritten Schritt vom Optimierer ein nachoptimiertes Gütemaß in Abhängigkeit der neuen diskreten Stellgrößen und der Betriebssituation der Brennkraftmaschine berechnet und als maßgeblich für den Betriebspunkt der Brennkraftmaschine gesetzt. Bei der Berechnung des nachoptimierten Gütemaßes werden allerdings die neuen diskreten Stellgröße als fest angenommen. Sie stellen insofern keinen Freiheitsgrad mehr für die Optimierung innerhalb des prädizierten Horizonts dar. Die übrigen kontinuierlichen Stellgrößen werden so reoptimiert, dass die Lösung bezüglich der fixierten neuen Stellgrößen bestmöglich ist.
• Unter Betriebssituation der Brennkraftmaschine sind sowohl die äußeren Rahmenbedingungen, insbesondere die Emissionsgrenzwerte oder der Leistungswunsch, als auch der aktuelle Betriebspunkt zu verstehen. Sowohl das voroptimierte Gütemaß als auch das nachoptimierte Gütemaß werden bestimmt, indem über das Verbrennungsmodell die Einspritzsystem-Sollwerte zur Ansteuerung der Einspritzsystem-Stellglieder, zum Beispiel der Soll-Raildruck, berechnet werden, über ein Gaspfadmodell die Gaspfad-Sollwerte zur Ansteuerung der Gaspfad-Stellglieder berechnet werden und anschließend vom Optimierer diese Sollwerte mit dem Ziel einer Minimumfindung verändert werden.
• Die Erfindung gestattet die Lösung von Optimierungsaufgaben mit teilweise wertkontinuierlichen und teilweise wertdiskreten Eingangsgrößen bei beschränkter Rechenkapazität für das verwendete Optimierungsverfahren. Anstelle einer parallelen Berechnung der Stellgrößen, wie es für die Umsetzung von Branch- and-BoundVerfahren erforderlich ist, verwendet die Erfindung eine serielle Methodik. Erst hierdurch können das Gütemaß und die hieraus sich ergebenden Werte für die Stellgrößen vollumfänglich auf einem Motorsteuergerät berechnet werden.
• In den Figuren ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt. Es zeigen:
• 1 ein Systemschaubild,
• 2 ein modellbasiertes Systemschaubild,
• 3 ein Blockschaltbild,
• 4 einen Programm-Ablaufplan,
• 5 ein Unterprogramm,
• 6 ein Unterprogramm,
• 7 ein Unterprogramm,
• 8 Zeitdiagramme und
• 9 Zeitdiagramme.
• 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-Railsystem wird als bekannt vorausgesetzt. Der dargestellte Gaspfad umfasst sowohl die Luftzuführung als auch die Abgasabführung. In der Luftzuführung sind angeordnet: der Verdichter eines Abgasturboladers 11, eine Ladeluftkühler 12, eine Drosselklappe 13, eine Einmündungsstelle 14 zur Zusammenführung der Ladeluft mit dem rückgeführten Abgas und ein variabel ansteuerbares Einlassventil 15. In der Abgasführung sind angeordnet: ein variabel ansteuerbares Auslassventil 16, ein AGR-Stellglied 17, die Turbine des Abgasturboladers 11 und ein Turbinen-Bypassventil 18.
• 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, l/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. In der 1 sind exemplarisch folgende Eingangsgrößen dargestellt: Ein Sollmoment M(SOLL), welches von einem Bediener vorgegeben wird, der Ist-Raildruck pCR, der mittels eines Rail-Drucksensors 9 gemessen wird, die Motordrehzahl nIST, der Ladeluftdruck pLL, die Ladelufttemperatur TLL, die Feuchte phi der Ladeluft, die Abgastemperatur TAbgas, das Luft-Kraftstoffverhältnis Lambda, der NOx-Istwert, optional der Druck pES des Einzelspeichers 8 und eine Eingangsgröße EIN. Unter der Eingangsgröße EIN sind die weiteren nicht dargestellten Sensorsignale zusammengefasst, beispielsweise die Kühlmitteltemperaturen. In 1 sind als Ausgangsgrößen des elektronischen Steuergeräts 10 dargestellt: ein Signal PWM zur Ansteuerung der Saugdrossel 4, ein Signal ve zur Ansteuerung der Injektoren 7 (Spritzbeginn/ Spritzende), ein Stellsignal DK zur Ansteuerung der Drosselklappe 13, ein Stellsignal WT zur Ansteuerung des Einlass- bzw. Auslassventils, ein Stellsignal AGR zur Ansteuerung des AGR-Stellglieds 17, ein Stellsignal TBP zur Ansteuerung des Turbinen-Bypassventils 18 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. Bei der Darstellung der 1 sind beispielsweise die Drosselklappe 13, das AGR-Stellglied 17, das Turbinen-Bypassventil 18 oder die Saudrossel 4 mit einem kontinuierlichen Stellsignal ansteuerbar und sind daher in einem kontinuierlichen Wertebereich einstellbar. Eine diskrete Stellgröße wäre hingegen das Stellsignal zur Aktivierung eines zweiten Abgasturboladers, da dieses Stellsignal nur einzelne diskrete Werte annehmen kann, Zwischenwerte also nicht existieren.
• Die 2 zeigt ein modellbasiertes Systemschaubild. Bei dieser Darstellung sind innerhalb des elektronischen Steuergeräts 10 ein Verbrennungsmodell 19, ein Gaspfadmodell 20 und ein Optimierer 21 aufgeführt. Sowohl das Verbrennungsmodell 19 als auch das Gaspfadmodell 20 bilden das Systemverhalten der Brennkraftmaschine als mathematische Gleichungen ab, beispielsweise in Form von Gauß-Prozessmodellen. Das Verbrennungsmodell 19 bildet statisch die Vorgänge bei der Verbrennung ab. Im Unterschied hierzu bildet das Gaspfadmodell 20 das dynamische Verhalten der Luftführung und der Abgasführung ab. Das Verbrennungsmodell 19 beinhaltet Einzelmodelle zum Beispiel für die NOx- und 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 19 bei einer Referenz-Brennkraftmaschine in einem Prüfstandslauf, dem sogenannte 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. Der Optimierer 21 wertet das Verbrennungsmodell 19 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 21 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 21 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: $$\text{J}={{\displaystyle \int \left[\text{w}1(\text{N}0x\left(\text{SOLL}\right)-\text{N0}x\left(\text{IST}\right)\right]}}^2+{\left[\text{w2}\left(\text{M}\left(\text{SOLL}\right)-\text{M}\left(\text{IST}\right)\right)\right]}^2+\left[\text{w3}\left(\mathrm{....}\right)\right]+$$

  
• Hierin bedeuten w1, w2 und w3 einen entsprechenden Gewichtungsfaktor. Bekanntermaßen ergeben sich die Stickoxidemission aus der Feuchte phi der Ladeluft, der Ladelufttemperatur TLL, dem Spritzbeginn SB und dem Raildruck pCR.
• Vom Optimierer 21 wird das bestmögliche Gütemaß über Minimumfindung ermittelt, indem zu einem ersten Zeitpunkt ein erstes Gütemaß berechnet wird, die Einspritzsystem-Sollwerte sowie die Gaspfad-Sollwerte variiert werden und anhand dieser ein zweites Gütemaß innerhalb des Prädiktionshorizonts prognostiziert wird. Anhand der Abweichung der beiden Gütemaße zueinander legt dann der Optimierer 21 ein minimales Gütemaß fest und setzt dieses als maßgeblich für die Brennkraftmaschine. Für das in der Figur dargestellte Beispiel ist dies für das Einspritzsystem der Soll-Raildruck pCR(SL). Der Soll-Raildruck pCR(SL) ist die Führungsgröße für den unterlagerten Raildruck-Regelkreis 22. Die Stellgröße des Raildruck-Regelkreises 22 entspricht dem PWM-Signal zu Beaufschlagung der Saugdrossel. Für den Gaspfad bestimmt der Optimierer 21 mittelbar die Gaspfad-Sollwerte. Bei dem dargestellten Beispiel sind dies ein Lambda-Sollwert LAM(SL) und ein AGR-Sollwert AGR(SL) zur Vorgabe für die beiden unterlagerten Regelkreise 23 und 24. 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 Lambda-Istwert LAM(IST) und der AGR-Istwert AGR(IST) eingelesen. Mit dem Bezugszeichen SG sind die Stellgrößen der Brennkraftmaschine zusammengefasst. Hierunter fallen sowohl die kontinuierlichen Stellgrößen mit einem kontinuierlichen Einstellbereich als auch die diskreten Stellgrößen mit diskreten Einstellwerten. Kontinuierliche Stellgrößen können zwischen einem minimalen und maximalen Wert stufenlos verstellt werden, beispielsweise der Spritzbeginn und das Spritzende mit welchen der Injektor (1: 7) unmittelbar beaufschlagt wird. Diskrete Stellgrößen mit diskreten Einstellwerten können nur gestuft in Festwerten eingestellt werden, beispielweise eine Zylinderabschaltung.
• Die 3 zeigt ein Blockschaltbild mit der Betriebssituation BS der Brennkraftmaschine als Eingangsgröße und dem Gütemaß als Ausgangsgröße, hier als nachoptimiertes Gütemaß J(NA) bezeichnet. Innerhalb des Blockschaltbilds sind eine Voroptimierung 25, eine Quantisierung 26 und eine Nachoptimierung 27, dargestellt. In einem ersten Schritt wird über die Voroptimierung 25 ein voroptimiertes Gütemaß J(VO) berechnet, bei dem die diskreten Stellgrößen mit diskreten Einstellwerten als kontinuierliche Stellgrößen mit einem kontinuierlich Einstellbereich interpretiert werden.
• Ein Beispiel für eine diskrete Stellgröße ist die Voreinspritzung, welche nur aktiviert oder deaktiviert sein kann. Durch den Einsatz der Voreinspritzung kann der Spitzendruck der Verbrennung deutlich abgesenkt werden. Daneben ändern sich bei aktivierter Voreinspritzung aber auch alle andere Verbrennungsgrößen wie beispielsweise die NOx-Emission oder die Partikelanzahl. Die Brennkraftmaschine wird einmal mit aktivierter Voreinspritzung und einmal mit deaktivierter Voreinspritzung vermessen. Damit ergeben sich zwei separate Verbrennungsmodelle. Bei der Berechnung des voroptimierten Gütemaßes J(VO) werden vom Optimierer Zwischenwerte interpoliert, dies bedeutet, dass durch die Interpolation zwischen diesen beiden Verbrennungsmodellen der Zustand Voreinspritzung aktiviert oder deaktiviert künstlich in eine kontinuierliche Eingangsgröße gewandelt werden. In der Voroptimierung 25 wird dann diese Größe kontinuierlich verwendet. In der 3 sind diese kontinuierlichen Stellgrößen als SG(k) bezeichnet. Das voroptimierte Gütemaß J(VO) ist eine rein interne Rechengröße, welches keinen Zugriff auf die Stellglieder der Brennkraftmaschine hat. Mit anderen Worten: das voroptimierte Gütemaß J(VO) ist zugriffsfrei und wird der Brennkraftmaschine nicht aufgeschaltet. In einem zweiten Schritt werden über die Quantisierung 26 neue diskrete Stellgrößen SG(neu) aus den kontinuierlichen Stellgrößen SG(k) berechnet. Für die Voreinspritzung wird folglich in der Quantisierung wieder eine feste Zuordnung zu Voreinspritzung aktiviert oder Voreinspritzung deaktiviert vorgenommen. Die Quantisierung 26 bietet den Vorteil, dass zum Beispiel die variable Ventilsteuerung auf drei diskrete Werte, nämlich Minimum, Mittelwert und Maximum festgelegt werden, zum Beispiel 450°, 495° und 540° Kurbelwellenwinkel. Dies reduziert im erheblichen Maße den Rechenaufwand bei der nachfolgenden Bestimmung des nachoptimierten Gütemaßes. Bei der Quantisierung 26 werden zudem die berechneten Werte über optionale Hysteresebänder stabilisiert. In einem dritten Schritt werden die neuen diskreten Stellgrößen SG(neu) und die Betriebssituation zusammengeführt und vom Optimierer ein nachoptimiertes Gütemaß J(NA) berechnet. Bei der Berechnung des nachoptimierten Gütemaßes J(NA) werden die neuen diskreten Stellgrößen SG(neu) nicht verändert. Insofern sind diese kein Freiheitsgrad bei der Berechnung des nachoptimierten Gütemaßes J(NA). In der Nachoptimierung werden die tatsächlich kontinuierlichen Stellgrößen an den aus der Quantisierung vorgegebenen Verlauf zum Beispiel der Voreinspritzung angepasst. Mit anderen Worten: Bei der Nachoptimierung werden die Stellgrößen variiert, die auch real durch kontinuierliche Stellgrößen beschrieben werden. Das nachoptimierte Gütemaß J(NA) entspricht dem minimalen Gütemaß J(min), welches vom Optimierer als maßgeblich für den Betriebspunkt der Brennkraftmaschine (1) gesetzt wird, also der Brennkraftmaschine aufgeschaltet wird.
• In der 4 ist das Verfahren in einem Programm-Ablaufplan dargestellt. 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 die Betriebssituation der Brennkraftmaschine erfasst. Definiert wird die Betriebssituation durch die Motordrehzahl nIST, die Ladelufttemperatur TLL, den Ladeluftdruck pLL usw.. Bei S4 wird das Unterprogramm Optimierer aufgerufen und die Anfangswerte, zum Beispiel der Spritzbeginn, bei S5 erzeugt. Bei den Schritten S6 bis S8 werden nacheinander die Unterprogramm Voroptimierung, Quantisierung und Nachoptimierung aufgerufen. Diese Unterprogramme werden in Verbindung mit den 5 bis 7 beschrieben. Das im Unterprogramm Nachoptimierung berechnete nachoptimierte Gütemaß wird als minimiertes Gütemaß J(min) gesetzt, welches den Betriebspunkt der Brennkraftmaschine bestimmt. Im Anschluss daran wird bei S10 geprüft, ob ein Motorstopp initiiert wurde. Ist dies nicht der Fall, Abfrageergebnis S10: nein, wird zum Punkt B zurückverzweigt. Anderenfalls ist der Programm-Ablaufplan beendet.
• In der 5 ist das Unterprogramm Voroptimierung als Programm-Ablaufplan dargestellt. Bei S1 wird ein erstes Gütemaß J1(VO) der Voroptimierung anhand der Gleichung (1) berechnet. Wesentliches Merkmal ist hierbei, dass bei der Berechnung des ersten Gütemaßes J1(VO) neben den kontinuierlichen Stellgrößen mit einem kontinuierlichen Stellbereich, die diskreten Stellgrößen mit diskreten Werten über Interpolation als kontinuierliche Stellgrößen interpretiert werden. Bei S2 wird eine Laufvariable i auf null gesetzt. Danach werden bei S3 die Anfangswerte verändert und als neue Sollwerte für die Stellgrößen berechnet. Bei S4 wird die Laufvariable i um eins erhöht. Anhand der neuen Sollwerte wird dann bei S5 ein zweites Gütemaß J2(VO) der Voroptimierung innerhalb des Prädiktionshorizonts, zum Beispiel für die nächsten 8 Sekunden, prognostiziert. Bei S6 wird das zweite Gütemaß J2(VO) vom ersten Gütemaß J1 (VO) 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 S6: nein, so wird zum Punkt A zurück verzweigt. Anderenfalls wird bei S7 vom Optimierer das zweite Gütemaß J2(VO) als voroptimiertes Gütemaß J(VO) zusammen mit den dabei berechneten Stellgrößen ausgegeben und in das Hauptprogramm der 4 zurückgekehrt. Das voroptimierte Gütemaß J(VO) ist eine reine Rechengröße, das heißt, vom Optimierer werden die berechneten Einspritzsystem-Sollwerte, die berechneten Gaspfad-Sollwerte und die berechneten Stellgrößen nicht der Brennkraftmaschine aufgeschaltet.
• In der 6 ist das Unterprogramm Quantisierung dargestellt. Bei S1 wird das voroptimierte Gütemaß J(VO) mit den zugehörigen Stellgrößen eingelesen. Anschließend werden diejenigen Stellgrößen mit ursprünglichen diskreten Einstellwerten diskretisiert. Dies erfolgt bei S2 anhand von entsprechenden Schwellwerten mit einem Hystereseband. Über das Hystereseband werden pendelnde Berechnungswerte vermieden. Anstelle eines Hysteresebands lassen sich auch andere Logiken verwenden, welche ein schnelles Umschalten verhindern, zum Beispiel eine Zeitsteuerung. Danach werden bei S3 die neuen diskreten Stellgrößen SG(neu) ausgegeben und in das Hauptprogramm der 4 zurückgekehrt.
• In der 7 ist das Unterprogramm Nachoptimierung als Programm-Ablaufplan dargestellt. Über das Unterprogramm Nachoptimierung wird ein nachoptimiertes Gütemaß aus der Betriebssituation der Brennkraftmaschine und den neuen diskreten Stellgrößen SG(neu) bestimmt. Bei der Berechnung des nachoptimierten Gütemaßes werden die neuen diskreten Stellgrößen nicht nachgeführt. Bei S1 wird ein erstes Gütemaß J1(NA) der Nachoptimierung anhand der Gleichung (1) berechnet. Bei S2 wird eine Laufvariable i auf null gesetzt. Danach werden bei S3 die Anfangswerte verändert und als neue Sollwerte für die Stellgrößen berechnet. Bei S4 wird die Laufvariable i um eins erhöht. Anhand der neuen Sollwerte wird dann bei S5 ein zweites Gütemaß J2(NA) der Nachoptimierung innerhalb des Prädiktionshorizonts, zum Beispiel für die nächsten 8 Sekunden, prognostiziert. Bei S6 wird das zweite Gütemaß J2(VO) vom ersten Gütemaß J1(VO) 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 S6: nein, so wird zum Punkt A zurück verzweigt. Anderenfalls wird bei S7 vom Optimierer das zweite Gütemaß J2(VO) als minimales Gütemaß J(min) ausgegeben und in das Hauptprogramm der 4 zurückgekehrt.
• Die beiden 8 und 9 zeigen in einer Gegenüberstellung den Verlauf von ausgewählten Größen über der Zeit in Sekunden. Dargestellte Größen sind: die variabel Ventilsteuerung WT in Grad Kurbelwellenwinkel, der Spritzbeginn SB in Grad vor dem oberen Totpunkt (OT), der Verbrennungsdruck pZYL im Zylinder und die Motordrehzahl nMOT. Für den Verbrennungsdruck pZYL ist ergänzend der maximal zulässige Verbrennungsdruck pMAX als gestrichelte Linie eingezeichnet. Auf der linken Zeichnungsblatthälfte sind diese Größen bei Anwendung der bisherigen Optimierung dargestellt, während auf der rechten Zeichnungsblatthälfte diese Größen bei Anwendung der Erfindung dargestellt sind. Der Darstellung der 8 und der 9 ist ein stufenförmig ansteigendes Soll-Moment als Eingangsgröße zugrunde gelegt. Zunächst werden die Größen gemäß der 8 beschrieben. In einem ersten Schritt wird vom Optimierer anhand der Betriebssituation über die Voroptimierung ein voroptimiertes Gütemaß berechnet. Bei dieser Berechnung werden die diskrete Stellgrößen mit diskreten Einstellwerten als kontinuierliche Stellgrößen mit einem kontinuierlichen Einstellbereich interpretiert. Für die variable Ventilsteuerung WT ergibt sich dabei über den kompletten Zeitbereich ein kontinuierlicher Verlauf mit beliebigen Zwischenwerten. Für das WT-Stellglied zur Ansteuerung des variablen Ventils mit drei definierten Stellerpositionen ist ein solcher Verlauf aber nicht darstellbar. Zum voroptimierten Gütemaß korrespondieren ein berechneter Spritzbeginn SB und der entsprechende Zylinderdruck pZYL. Beim Zylinderdruck pZYL wird der maximale Wert pMAX eingehalten. Aus den Stellgröße resultiert eine ansteigende Motordrehzahl nMOT im Betrachtungszeitraum. Nachfolgend wird die 9 beschrieben. Der dargestellte WT-Verlauf entspricht dem Verlauf nach der Quantisierung. Hierbei wird deutlich, dass im Unterschied zur Darstellung der 8, der WT-Verlauf nur drei diskrete Werte zeigt, nämlich 450°, 495° und 540° Kurbelwellenwinkel. Von Vorteil ist, dass das VVT-Stellglied mit lediglich drei Werten angesteuert werden kann, wodurch sich der Rechenaufwand deutlich reduziert. Aus dem WT-Verlauf wird anhand der Betriebssituation der Brennkraftmaschine das nachoptimierte Gütemaß berechnet. Zu diesem korrespondiert der Verlauf des Spritzbeginns SB und der Zylinderdruck pZYL, der auch in diesem Fall unterhalb des maximalen Werts pMAX bleibt.
• 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, variabel ansteuerbar

16

Auslassventil, variabel ansteuerbar

17

AGR-Stellglied (AGR: Abgasrückführung)

18

Turbinen-Bypassventil

19

Verbrennungsmodell

20

Gaspfadmodell

21

Optimierer

22

Raildruck-Regelkreis

23

Lambda-Regelkreis

24

AGR-Regelkreis

25

Voroptimierung

26

Quantisierung

27

Nachoptimierung

Claims (5)

1. Verfahren zur modellbasierten Steuerung und Regelung einer Brennkraftmaschine (1), bei dem von einem Optimierer (21) in einem ersten Schritt ein voroptimiertes Gütemaß (J(VO)) in Abhängigkeit der Betriebssituation (BS) berechnet wird, wobei bei der Berechnung des voroptimierten Gütemaßes (J(VO)) diskrete Stellgrößen mit diskreten Einstellwerten als kontinuierliche Stellgrößen (SG(k)) mit einem kontinuierlichen Einstellbereich interpretiert werden, bei dem in einem zweiten Schritt diese kontinuierlichen Stellgrößen (SG(k)) quantisiert und als neue diskrete Stellgrößen (SG(neu)) mit diskreten Einstellwerten gesetzt werden, bei dem vom Optimierer (21) in einem dritten Schritt ein nachoptimiertes Gütemaß (J(NA)) in Abhängigkeit der neuen diskreten Stellgrößen (SG(neu)) und der Betriebssituation (BS) der Brennkraftmaschine (1) berechnet wird und vom Optimierer (21) das nachoptimierte Gütemaß (J(NA)) als maßgeblich für den Betriebspunkt der Brennkraftmaschine (1) gesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das voroptimierte Gütemaß (J(VO)) bestimmt wird, indem über ein Verbrennungsmodell (19) die Einspritzsystem-Sollwerte zur Ansteuerung der Einspritzsystem-Stellglieder berechnet werden, indem über ein Gaspfadmodell (20) die Gaspfad-Sollwerte zur Ansteuerung der Gaspfad-Stellglieder berechnet werden und indem die kontinuierlichen Stellgrößen (SG(k)) über Interpolation aus den diskreten Einstellwerten der diskreten Stellgrößen berechnet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das voroptimierte Gütemaß (J(VO)) zugriffsfrei für die Stellglieder der Brennkraftmaschine festgelegt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Schritt die kontinuierlichen Stellgrößen (SG(k)) über Schaltschwellen nebst Hysterese quantisiert werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das nachoptimierte Gütemaß (J(NA)) im dritten Schritt bestimmt wird, indem über das Verbrennungsmodell (19) die Einspritzsystem-Sollwerte zur Ansteuerung der Einspritzsystem-Stellglieder berechnet werden, über das Gaspfadmodell (20) die Gaspfad-Sollwerte zur Ansteuerung der Gaspfad-Stellglieder berechnet werden und indem vom Optimierer (21) über die Veränderung der Einspritzsystem-Sollwerte und der Gaspfad-Sollwerte bei konstanten neuen diskreten Stellgrößen (SG(neu)) eine Minimumfindung innerhalb eines Prädiktionshorizonts durchgeführt wird.

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