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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erstellen von Kennfeldern für eine Steuerung eines Verbrennungsmotors auf Basis von Betriebsparametern und ein Computerprogramm zu diesem Zweck.
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Die Steuerung von Verbrennungsmotoren ist eine technisch anspruchsvolle Aufgabe, bei der eine Vielzahl von Betriebsparametern auf effiziente oder optimale Werte eingestellt werden muss. Die Betriebsparameter werden hierbei in Form von Kennfeldern verwendet, bei denen beispielsweise für eine Komponente eines Antriebstranges jeweils zu einer bestimmten Drehzahl und Last der entsprechende Betriebsparameter zugeordnet ist. Diese Kennfelder müssen jedoch zuvor auf geeignete Weise ermittelt werden.
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Es ist die technische Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verbesserte Kennfelder für die Steuerung eines Verbrennungsmotors zu erhalten.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird die technische Aufgabe durch ein Verfahren zum Erstellen von Kennfeldern für eine Steuerung eines Verbrennungsmotors auf Basis von Betriebsparametern gelöst, mit den Schritten eines Erstellens eines datengetriebenen Modells für den Verbrennungsmotor; eines Definierens einer Kostenfunktion anhand des datengetriebenen Modells für die Steuerung des Verbrennungsmotors; eines Simulierens des Verbrennungsmotors basierend auf dem datengetriebenen Modell, um einen verbesserten Betriebsparameter anhand der Kostenfunktion für einen vorgegebenen Betriebspunkt zu erhalten, unter der Nebenbedingung der Beibehaltung einer vorgegebenen zugeführten Luftmasse und/oder Kraftstoffmasse; und eines Wiederholens des Schrittes des Simulierens für unterschiedliche Betriebspunkte zum Ermitteln des Kennfeldes für den Verbrennungsmotor. Dadurch wird der technische Vorteil erreicht, dass Kennfelder für die Steuerung des Verbrennungsmotors erhalten werden, die hinsichtlich bestimmter Betriebsparameter optimiert sein können, ohne dass die Luftmasse und/oder die Kraftstoffmasse verändert werden.
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In einer technisch vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird der Schritt des Simulierens iterativ wiederholt, um das Berechnungsergebnis aus der definierten Kostenfunktion zu verringern. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Kennfelder weiter verbessert werden.
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In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens umfasst der Betriebsparameter eine Einlassventilspreizung, eine Auslassventilspreizung, ein Saugrohrdruck, eine Saugrohrgeometrie, ein Ladedruck, ein Druck im Ansaugsystem, eine AGR Rate, ein Ventilhub, einen Zünd- oder Einspritzzeitpunkt und/oder einen Verbrennungsschwerpunkt. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass sich Kennfelder für besonders geeignete Betriebsparameter ermitteln lassen.
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In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Simulieren des Verbrennungsmotors zur Verbesserung des Kennfeldes unter der zusätzlichen Nebenbedingung, dass ein die Laufunruhe beschreibender Parameter des Verbrennungsmotors unter einem vorgegebenen Wert liegt. Der die Laufunruhe beschreibender Parameter wird typischerweise als Standardabweichung oder als Variationskoeffizient des indizierten Mitteldruckes gemessen wird. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Laufruhe des Motors verbessert werden kann.
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In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Simulieren des Verbrennungsmotors unter der zusätzlichen Nebenbedingung, dass die Kennfeldglätte über einem vorgegebenen Wert liegt. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass sich abrupte Änderungen des Betriebsparameters verhindern lassen.
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In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Wiederholen des Simulierens zur Verbesserung des Kennfeldes derart, dass die Glattheit des Kennfeldes bei der Auswahl der Parameter beim Schritt des Simulierens berücksichtigt wird. Dadurch wird beispielsweise ebenfalls der technische Vorteil erreicht, dass sich abrupte Änderungen des Betriebsparameters verhindern lassen.
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In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens ist das datengetriebene Modell auf Basis von Messwerten einer Luftmasse, eines spezifischen Verbrauchs, eines Drehmoments und/oder einer Laufunruhe erstellt wird. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass besonders geeignete und effiziente Modelle für die Ermittlung des Kennfeldes verwendet werden.
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In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird das Verfahren für eine Mehrzahl von Betriebspunkten durchgeführt, die jeweils einen Wert für Motordrehzahl und der Luftmasse umfassen. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass sich Werte jeweils zu einer bestimmten Motordrehzahl und bestimmten Luftmasse zuordnen lassen. Dies ist insofern vorteilhaft, da die meisten Kennfelder in der Motorsteuerung über Drehzahl und Luftmasse aufgespannt sind und daher mit den so ermittelten Werten direkt befüllt werden können.
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In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens basiert das datengetriebene Modell auf einem physikalischen, semi-physikalischen, empirischen oder rein datengetriebenen Modell. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass besonders geeignete und effiziente Modelle für das datengetriebene Modell verwendet werden.
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In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens basiert das rein datengetriebene Modell auf einem neuronalen Netz oder einem Gaußprozessmodell. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass das datengetriebene Modell effizient angelernt oder angepasst werden kann.
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In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird der Verbrennungsmotor auf Basis des erstellten Kennfeldes gesteuert. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Steuerung des Verbrennungsmotors derart durchgeführt wird, dass sich die technischen Laufeigenschaften verbessern.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird die technische Aufgabe durch ein Computerprogramm umfassend Befehle gelöst, die bei der Ausführung des Computerprogramms durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren nach dem ersten Aspekt auszuführen. Durch das Computerprogramm werden die gleichen technischen Vorteile wie durch das Verfahren nach dem ersten Aspekt erreicht.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen:
- 1 ein Blockdiagramm eines Verfahrens zum Erstellen von Kennfeldern;
- 2 ein Kennfeld für einen Betriebsparameter;
- 3 mehrere Kennfelder für unterschiedliche Betriebsparameter; und
- 4 eine schematische Darstellung eines datengetriebenen Modells.
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1 zeigt ein Blockdiagramm eines Verfahrens zum Erstellen von Kennfeldern. Ziel des Verfahrens ist es Kennfelder einer oder mehrerer Komponenten eines Antriebstranges zu optimieren, wie zum Beispiel einer Brennkraftmaschine, eines Getriebes oder einer Abgasnachbehandlung. Ein Kennfeld beinhaltet für jede Drehzahl und Last einen kalibrierten Betriebsparameter. Dieser Betriebsparameter kann zum optimierten Betrieb des Verbrennungsmotors verwendet werden.
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Ein vorgegebener Betriebspunkt des Kennfeldes ist beispielsweise durch eine Drehzahl als x-Wert und eine Last als y-Wert gegeben. Die Drehzahl und die Last bilden vorgegebene Einstellungen für den Verbrennungsmotor. Die Last kann in verschiedenen Messgrößen angegeben werden, zum Beispiel in Drehmoment, Einspritzmenge, Spitzendruck, oder Luftmasse. Zu den beiden Werten der Drehzahl und Last wird ein optimierter Betriebsparameter für den Verbrennungsmotor als z-Wert bestimmt.
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Hierzu wird in Schritt S101 zunächst ein datengetriebenes Modell für den Verbrennungsmotor erstellt. Das datengetriebene Modell ist ein Modell, das Werten für mehrere Eingangsgrößen eine oder mehrere Ausgangsgrößen zuordnet. Zu den Eingangsgrößen kann beispielsweise die Drehzahl gehören, sowie Betriebsparameter wie Einlassventilspreizung, Auslassventilspreizung, Saugrohrdruck, Saugrohrgeometrie, Ladedruck, Druck im Ansaugsystem, AGR Rate, Ventilhub, Zünd- oder Einspritzzeitpunkt und/oder Verbrennungsschwerpunktlage. Beispiele für Ausgangsgrößen sind die Luftmasse, der spezifische Verbrauch, das Drehmoment und die Laufunruhe. Das datengetriebene Modell wird erstellt, indem es mit Daten für die Eingangs- und Ausgangsgrößen angelernt wird. Dann können mit dem datengetriebenen Modell für beliebige Wertekombinationen der Eingangsgrößen entsprechende Werte für die Ausgangsgrößen berechnet beziehungsweise simuliert werden.
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In Schritt S102 wird eine Kostenfunktion anhand des datengetriebenen Modells für die Steuerung des Verbrennungsmotors definiert. Die Kostenfunktion gibt einen numerischen Wert an, der beschreibt wie gut oder wie schlecht zuvor definierte Optimierungsziele erreicht werden. Dabei wird die Kostenfunktion üblicherweise so definiert, dass kleinere Werte auch kleineren Kosten und damit einer besseren Erreichung der Optimierungsziele entsprechen. Optimierungsziele können beispielsweise die Minimierung oder Maximierung von Ausgangsgrößen des datengetriebenen Modelles sein, so zum Beispiel die Minimierung des spezifischen Verbrauchs, die Maximierung des Drehmoments oder die Minimierung der Laufunruhe. Zudem ist es möglich, dass mehrere Optimierungsziele in einer einzigen Kostenfunktion miteinander kombiniert werden.
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In Schritt S103 wird der Verbrennungsmotors basierend auf dem datengetriebenen Modell simuliert, um einen verbesserten Betriebsparameter anhand der Kostenfunktion für den vorgegebenen Betriebspunkt zu erhalten. Dies geschieht unter der Nebenbedingung der Beibehaltung einer vorgegebenen zugeführten Luftmasse und/oder Kraftstoffmasse bei der Simulation.
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Anschließend wird in Schritt S104 das Simulieren für unterschiedliche Betriebspunkte wiederholt, um für eine Vielzahl von Betriebspunkten, den jeweiligen Betriebsparameter zu ermitteln. Hieraus ergibt sich das Kennfeld für den Verbrennungsmotor. An jedem der Betriebspunkte wird das datengetriebene Modell verwendet, um den Betriebsparameter zu berechnen.
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Das Verfahren kann für die Kalibrierung von Ottomotoren eingesetzt werden. Es ist möglich, das Verfahren in Software-Werkzeugen für eine Kalibrierung zu implementieren. Das Verfahren kann jedoch prinzipiell auch in Anwendungen für Dieselmotoren, Getrieben, und Abgasnachbehandlungen verwendet werden.
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Prinzipiell ist es möglich, ein beliebiges Optimierungsverfahren zur Bestimmung der verbesserten Betriebsparameter zu verwenden. Als Beispiele kommen Simulated Annealing, Newton-Verfahren, Simplex-Verfahren, Gradienten-Verfahren, genetische Algorithmen, evolutionäre Algorithmen oder Varianten, Approximationen und ein mehrfaches Ausführen dieser Verfahren in Frage. Zudem können Ableitungen von Modellvorhersagen zur schnelleren Optimierung genutzt werden.
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Als Modelle kommen prinzipiell beliebige Modelltypen in Frage, wie beispielsweise Gauß-Prozessmodelle, Polynommodelle, Krigingmodelle, (tiefe) neuronale Netze, „Manifold“-Gauß-Prozessmodelle, „Warped“-Gauß-Prozessmodelle, „Manifold“-„Warped“-Gauß-Prozessmodelle, physikalische, semiphysikalische oder andere Modelltypen in Frage. Zudem kann das verwendete Modell aus unterschiedlichen Teil-Modellen zusammengesetzt sein. Das Modell kann mit Hilfe von Messdaten parametrisiert oder angepasst werden. Die Messdaten können aus beliebigen Quellen stammen, wie zum Beispiel aus einem Prüfstand, aus dem Fahrzeug oder in Simulationen erhoben werden.
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2 zeigt ein Kennfeld 101 für einen Betriebsparameter 103. Das Kennfeld 101 gibt an, wie sich das Drehmoment ändert, wenn die zwei Eingangsgrößen (input1, input2) als Betriebspunkt verändert werden. Das maximale Drehmoment wird erzielt, wenn beide Eingangsgrößen maximiert werden. Zusätzlich ist die Kurve eingezeichnet, die die gewünschte Luftmasse an dem Betriebspunkt anzeigt. Eine Kalibrierung der beiden Eingangsgrößen wird auf dieser Kurve vorgenommen, um die Nebenbedingung einer konstanten Luftmasse einzuhalten. Der Punkt zeigt das optimale Drehmoment auf der Kurve an.
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3 zeigt mehrere Kennfelder 101 für unterschiedliche Betriebsparameter 103 bei einer Anwendung auf Basis realer Daten. Der Verbrennungsmotor ist ein Ottomotor mit variablem Ventilhub, für den ausreichend Messdaten vorhanden sind, um das datengetriebene Modell zu trainieren. Die Kennfelder 101 werden derart optimiert, dass das modellbasierte Drehmoment maximiert wird.
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Die zu optimierenden Kennfelder 101 zeigen die Betriebsparameter 103 Einlassventilspreizung, Auslassventilspreizung, Saugrohrdruck, Ventilhub und Verbrennungsschwerpunktlage. Diese Betriebsparameter 103 sind neben der Drehzahl die Eingangsgrößen des Modells.
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Zuerst wird die Volllastkurve optimiert, indem das Drehmoment für jede feste Drehzahl maximiert wird. Unterhalb der Volllastkurve werden gleichverteilt Betriebspunkte in Drehzahl und Luftmasse angelegt, für die als Last-Einheit das datengetriebene Modell vorliegt. An diesen Betriebspunkten wird jetzt das Drehmoment maximiert, unter Einhaltung von Grenzen an die Glätte der Kennfelder 101 und an die Laufruhe, die auch als Modell vorliegt. Der Bereich mit geringer Last und hoher Drehzahl wird nicht optimiert. Die optimierten Betriebspunkte sind in weiß dargestellt. Die Betriebspunkte an und über der Volllastkurve sind in schwarz dargestellt. Der Leerlaufpunkt ist ebenfalls optimiert.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines datengetriebenen Modells 105. Das datengetriebene Modell 105 dient zur Simulation des Verbrennungsmotors 100 und wird auf Basis von Messdaten erstellt, die von dem Verbrennungsmotor 100 erhalten werden. Die Messdaten dienen dazu das datengetriebene Modell 105 an den Verbrennungsmotor 100 anzupassen, so dass realistische Simulationswerte erhalten werden. Das datengetriebene Modell 105 kann durch ein Softwareprogramm implementiert sein, das auf einem Computer ausgeführt wird.
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Anhand des datengetriebenen Modells 105 wird eine Kostenfunktion 102 für die Steuerung des Verbrennungsmotors 100 erstellt. Die Kostenfunktion 102 gibt an, wie groß die Kosten hinsichtlich einer oder mehrerer Ausgangsgrößen des datengetriebenen Modells 105 sind. Die Simulationswerte des datengetriebenen Modells 105 werden in einen einzelnen Zahlenwert der Kostenfunktion zusammengeführt, der in einer Optimierung verringert werden soll.
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Während der Optimierung hinsichtlich der Kostenfunktion sollen zusätzliche Nebenbedingungen eingehalten werden. Eine ausgerechnete Last wird beispielsweise mit dem zum Betriebspunkt 107 gehörenden Lastwert verglichen. Ein Optimierungsmodul berechnet die Abweichung und sucht in einem nächsten Iterationsschritt der Optimierung nach besseren Betriebsparametern
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Zum Beispiel kann Optimierungsziel sein das Drehmoment zu erhöhen, indem das Kennfeld 101 optimiert wird, das in der Lasteinheit „Luftmasse“ angegeben ist. In diesem Fall kann die Optimierung dazu führen, dass ausgehend vom vorherigen Iterationsschritt die Drosselklappe weiter geöffnet wird, so dass das Drehmoment erhöht wird. Dies ändert auch die Luftmasse im Zylinder, so dass nicht der gewünschte Betriebspunkt 107 optimiert wurde, sondern ein anderer Betriebspunkt 107 mit höherer Luftmasse.
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Die kalibrierten Einstellungen in den Kennfeldern 101 können die Luftmasse beeinflussen. Insbesondere sind Kennfelder 101 möglich, die die gewünschte Luftmasse nicht einhalten oder die gewünschte Luftmasse übertreffen. Eine Optimierung durch das Verfahren ergibt Kennfelder 101, die genau die gewünschte Luftmasse ergeben. Daneben können durch das Verfahren alle Kennfelder 101 in einem Kalibrierschritt gleichzeitig optimiert werden. Wenn alle Kennfelder 101 gleichzeitig optimiert werden, werden hierbei auch die Kennfelder 101 optimiert, die die Luftmasse und/oder andere Lasteinheiten wie das Drehmoment beeinflussen.
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Kennfelder 101 für Einlassspreizung, Auslassspreizung oder Drosselklappe werden oft in frühen Kalibrierschritten optimiert, da diese die Last ändern können. Sobald alle Kennfelder 101, die die Last beeinflussen, optimiert sind, werden weitere Kennfelder 101 optimiert, wie beispielsweise die Kennfelder 101 der Einspritzstrategie bei direkteinspritzenden Ottomotoren, um die Partikelanzahl zu reduzieren.
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Die Verwendung des datengetriebenen Modells 105 kann als simulierte Messung der Last bei vorgegebenen Einstellungen im Antriebsstrang angesehen werden. Das datengetriebenen Modell 105 umfasst die Last als Ausgangsgröße. Bei der Optimierung der Kennfelder 101 kann das Ausmaß, in dem eine Änderung der Kennfelder 101 die Last beeinflusst, mit Hilfe dieses Modells 105 vorhergesagt werden.
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Weiterhin kann das Verfahren, zum Beispiel mit Hilfe von Straftermen oder Lagrange-Multiplikatoren, die Kennfelder 101 derart wählen, dass das Modell 105 für die Last einen vorgegebenen Wert ergibt. Insbesondere kann ein einheitliches Optimierungsproblem aufgesetzt werden und alle relevanten Kennfelder 101 der Komponenten des Antriebsstranges in einem Kalibrierschritt optimiert werden. Dabei ist es prinzipiell möglich, die Optimierung der Volllastkurve oder des Leerlaufpunktes, in die Optimierung einzubeziehen.
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Prinzipiell kommen alle Optimierungsziele in Frage, die am Verbrennungsmotor 100 messbar sind. Beispiele für Optimierungsziele sind beispielsweise eine Treibstoffreduzierung, eine Momentmaximierung, ein Fahrbarkeitskriterium, eine Laufruhe, eine Abgasreduzierung, ein Einhalten von Abgasgrenzwerten, eine Temperaturregelung, eine Lautstärke und/oder Schaltzeiten. Mehrere dieser Optimierungsziele können kombiniert und gleichzeitig berücksichtigt werden. Weiterhin kann die Kennfeldglätte bei der Optimierung berücksichtigt werden.
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Betriebspunkte und Optimierungsziele können gewichtet werden. Zum Erstellen von Testplänen kann ein Verfahren verwendet werden, um bessere Modelle zu erhalten. Das Verfahren kann mit Modellen 105 verwendet werden, die auf Basis einer Online-Versuchsplanung (DoE - Design of Experiments) erstellt werden, damit eine höhere Automatisierung bei Messschritten erzeugt werden kann. Das Verfahren kann mit einer Optimierung von Kältekorrekturkennfeldern, der Optimierung von Einspritzstrategien oder anderen Betriebsstrategien kombiniert werden. Das Verfahren kann mit einer eingeschränkten Optimierung kombiniert werden, die relevante Bereiche berücksichtigt, die auf Teilen des Kennfeldes 101 basieren, zum Beispiel unterhalb der Volllastkurve.
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Zudem ist es möglich, nicht nur Kennfelder 101 für die zu kalibrierenden Werte zu optimieren, sondern auch Werte, aus denen die Kennfelder 101 bestimmen werden können. Grundsätzlich können Modelle 105 verwendet werden, um Steuergrößen in den Kennfeldern 101 so zu wählen, dass mindestens eine der zwei Achsen durch die Steuergrößen die entsprechende Achse ergibt, wenn diese in das Modell 105 eingesetzt wird. Dabei sind vorzugsweise die Achsen Motorlast, relative Zylinderfüllung, relative Kraftstoffmasse oder Saugrohrdruck anwendbar.
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Zum Beispiel können bei zwei Einspritzvorgängen in dem Verbrennungsmotor 100 die Prozentzahlen der Einspritzmenge bei erster und zweiter Einspritzung optimiert werden. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Summe der beiden Einspritzmengen 100% ergibt.
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Die Optimierung von Kennfeldern 101 kann mit einem einzelnen Satz von Messdaten durchgeführt werden, ist aber nicht auf einen Datensatz beschränkt. Durch das Verfahren ist es möglich, globale Versuchsplanungen als Grundlage für eine Optimierungen im Bereich von Ottomotoren zu verwenden.
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Es sind weniger Messungen als bei anderen Verfahren erforderlich, wie beispielsweise bei lokalen Versuchsplanungen. Dies führt zu einer Verringerung des technischen Aufwands, da weniger Messungen nötig sind. Messungen des Antriebsstranges, zum Beispiel an einem Prüfstand oder im Fahrzeug, sind technisch aufwändig.
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Eine Kalibrierung in einem Kalibrierschritt führt zu besseren Ergebnissen, da ein späterer Kalibrierschritt vorher erzielte optimale Ergebnisse ignorieren und verschlechtern kann. Globale Versuchsplanungen liefern Modelle 105, die in allen Betriebsbereichen Modellvorhersagen treffen. Dies hilft bei der Validierung von Ergebnissen.
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Als weiterer Vorteil ist es möglich, die Optimierung von Leerlauf und Volllastkurve anhand des Verfahrens durchzuführen. Der Aufwand für Messungen am Prüfstand kann dadurch deutlich verringert werden. Es sind keine Abbildungen (Mapping) für eine Einzelparametervariation mehr notwendig. So können zum einen technische Ressourcen eingespart werden und zum anderen vorhandene Messdaten zum nachträglichen Auswerten verwendet werden, wenn z.B. die Messungen bereits beendet sind.
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Das Ergebnis des Verfahrens sind die gewünschten Kennfelder 101. Diese Kennfelder 101 werden rein aus den Daten des datengetriebenen Modells 105, d.h. ohne Basiskennfeld und ohne gesonderte Kalibrierung von Volllastkurve und Leerlaufpunkt, erstellt. Die Laufruhe kann im gesamten optimierten Bereich kleiner als ein eingestellter Maximalwert sein. Die relative Füllung kann im gesamten optimierten Bereich auf einem vorgegebenen Wert liegen.
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Alle in Verbindung mit einzelnen Ausführungsformen der Erfindung erläuterten und gezeigten Merkmale können in unterschiedlicher Kombination in dem erfindungsgemäßen Gegenstand vorgesehen sein, um gleichzeitig deren vorteilhafte Wirkungen zu realisieren.
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Alle Verfahrensschritte können durch Vorrichtungen implementiert werden, die zum Ausführen des jeweiligen Verfahrensschrittes geeignet sind. Alle Funktionen, die von gegenständlichen Merkmalen ausgeführt werden, können ein Verfahrensschritt eines Verfahrens sein.
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Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist durch die Ansprüche gegeben und wird durch die in der Beschreibung erläuterten oder den Figuren gezeigten Merkmale nicht beschränkt.
