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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erstellen eines Motormodells, ein Motormodell und eine Kalibrierungsplattform für einen Antriebsstrang, die mit diesem Motormodell arbeitet.
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Ein verbessertes Kalibrierungsverfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine ist in Dokument
DE 10 2017 110 795 offenbart.
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Ein Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung zum Erstellen eines Motormodells umfasst die folgenden Schritte:
- - Erstellen eines ersten Modells, das die Kraftstoffeinspritzung, den Verbrennungsprozess sowie die erzeugten Emissionen modelliert,
- - Erstellen eines zweiten Modells, das den Luftpfad modelliert, und
- - Verbinden des ersten Modells und des zweiten Modells.
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Aufgrund der zunehmenden Komplexität von Antriebssträngen und Motoren sowie aufgrund der Notwendigkeit zur Berücksichtigung verschiedener Umgebungsbedingungen wie einer hohen Höhe über dem Meeresspiegel und Temperaturschwankungen ist zwecks Reduzierung des Kalibrierungsaufwands und folglich zur Kostensenkung eine virtuelle Motorkalibrierung von Vorteil. Damit könnte auch zur Optimierung der Anzahl notwendiger Prototypen und/oder zur Begrenzung der Testmatrizen beigetragen werden. Für eine erfolgreiche virtuelle Kalibrierung eines Antriebsstrangs sind jedoch zuverlässige, schnell arbeitende Vorhersagemodelle notwendig, die lediglich begrenzt Rechenkapazitäten beanspruchen. Das Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung ermöglicht den Entwurf eines Motormodells durch Erstellen eines ersten Modells und eines zweiten Modells, die miteinander verbunden werden. Mit diesem Entwurf lassen sich das erste Modell, das für die Modellierung von mit der Verbrennung zusammenhängenden Prozessen, das heißt die Einspritzung von Kraftstoff, der Verbrennungsprozess sowie die erzeugten Emissionen, über einen weiten Betriebsbereich, vorzugsweise unter stationären Bedingungen, vorteilhaft ist, und das zweite Modell kombinieren, das für die Modellierung von mit der Luftdynamik, das heißt dem Luftpfad, zusammenhängenden Prozessen, insbesondere für transiente Bedingungen, vorteilhaft ist. Durch Verbinden des ersten Modells und des zweiten Modells können die Vorteile von jedem Modell, die Modellierungsqualität und transiente Effekte, vorteilhaft verwendet werden.
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In mehreren Aspekten der vorliegenden Offenbarung wird zum Erstellen des ersten Modells ein statistisches Modell oder ein physikalisches Modell verwendet und wird zum Erstellen des zweiten Modells ein statistisches Modell oder ein physikalisches Modell verwendet. Auf diese Weise kann mit der vorliegenden Offenbarung das erste Modell und das zweite Modell als ein statistisches Modell oder ein physikalisches Modell erstellt werden, was den Vorteil mit sich bringt, dass der Modelltyp an die Anforderungen des ersten Modells oder des zweiten Modells angepasst werden kann. So wird beispielsweise das statistische Modell bevorzugt, wenn die Präzision über einen weiten Betriebsbereich, vorzugsweise unter stationären Bedingungen, von Bedeutung ist, während das physikalische Modell bevorzugt wird, wenn transiente Bedingungen vorliegen.
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In einem weiteren vorteilhaften Aspekt der vorliegenden Offenbarung erfolgt die Verbindung zwischen dem ersten Modell und dem zweiten Modell über ein Mittelwertmodell des Motors (MVEM). Mit dem MVEM lassen sich in Echtzeit durch Modellierung des thermodynamischen Verhaltens des Motors effektiv Berechnungen anstellen. Informationen zum Luftpfad erhält es aus dem zweiten Modell und liefert Ergebnisse aus in den Zylindern stattfindenden Vorgängen an das zweite Modell. Das erste Modell liefert Parameter zur Kraftstoffeinspritzung, zum Verbrennungsprozess sowie zu den erzeugten Emissionen an das MVEM.
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Mit dem offenbarten Verfahren wird ein Motormodell erstellt. Mit dem Motormodell lassen sich die Kraftstoffeinspritzung, der Verbrennungsprozess sowie die erzeugten Emissionen über einen weiten Betriebsbereich sowie das transiente Verhalten im Luftpfad des Motors modellieren, da es das erste Modell und das zweite Modell enthält, die verbunden sind. Das erste Modell liefert vorzugsweise Größen wie Schadstoffemissionen, Drehmoment und Kraftstoffeinspritzmenge. Das zweite Modell liefert vorzugsweise Werte wie Drücke und Temperaturen entlang dem Luftpfad. Durch das Verbinden des ersten Modells und des zweiten Modells werden die Ergebnisse aus dem ersten Modell als Eingangsdaten dem zweiten Modell bereitgestellt und umgekehrt. Auf diese Weise können Abhängigkeiten zwischen Luftpfad und Einspritzung, Verbrennung und Emissionen erfasst werden und ein Modellieren eines Motors wird ermöglicht.
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Eine Kalibrierungsplattform für einen Antriebsstrang umfasst ein Bedienfeld, ein ECU und ein Automatisierungssystem. Die Kalibrierungsplattform für einen Antriebsstrang ist derart ausgelegt, dass ein Motormodell gemäß dem offenbarten Motormodell ausgeführt wird und die folgenden Schritte ausgeführt werden:
- - Eingeben von Informationen in das Automatisierungssystem über das Bedienfeld,
- - Festlegen eines Kalibrierungsziels mit dem Automatisierungssystem auf Grundlage der eingegebenen Informationen,
- - Festlegen von Steuerungssollwerten mit dem ECU auf Grundlage des festgelegten Kalibrierungsziels,
- - Ausführen des Motormodells unter Berücksichtigung der festgelegten Steuerungssollwerte und
- - Bereitstellen eines Ergebnisses des ausgeführten Motormodells über das Bedienfeld.
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Die Kalibrierungsplattform für einen Antriebsstrang ermöglicht eine Kalibrierung der ECU-Einstellung. Unter Verwendung des Motormodells zum Vornehmen der Kalibrierung der ECU-Einstellung kann die Kalibrierungsplattform für einen Antriebsstrang von der Verbindung des ersten Modells mit dem zweiten Modell profitieren und kann folglich genaue Ergebnisse über einen weiten Betriebsbereich unter stationären Bedingungen und transienten Bedingungen liefern. Die von dem ECU auf Grundlage der festgelegten Kalibrierungsziele festgelegten Steuerungssollwerte definieren beispielsweise Sollwerte für ein Stellglied im Luftpfad und/oder ein Einspritzsystem. Bei dem ECU könnte es sich sowohl um ein reales ECU als auch um ein virtuelles ECU handeln. Die Kalibrierungsplattform für einen Antriebsstrang kann mit einer Kalibrierungssoftware verbunden sein, die auf das ECU zugreifen und seine Einstellung direkt abändern kann.
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Die abhängigen Ansprüche beschreiben ferner bevorzugte Aspekte der vorliegenden Offenbarung.
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Bevorzugte veranschaulichende Aspekte der vorliegenden Offenbarung werden ausführlicher auf Grundlage der folgenden Figuren erörtert, von denen:
- [1] ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Erstellen eines Motormodells gemäß der Lehre der vorliegenden Offenbarung zeigt,
- [2] ein Ausführungsbeispiel eines Motormodells gemäß der Lehre der vorliegenden Offenbarung zeigt,
- [3] ein Ausführungsbeispiel einer Kalibrierungsplattform für einen Antriebsstrang gemäß der Lehre der vorliegenden Offenbarung zeigt, und
- [4] ein Ausführungsbeispiel von durch eine Kalibrierungsplattform für einen Antriebsstrang gemäß der Lehre der vorliegenden Offenbarung ausgeführten Schritten zeigt.
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1 zeigt ein Verfahren zum Erstellen eines Motormodells 1 und umfasst die folgenden Schritte:
- - Erstellen eines ersten Modells S1,2, das die Kraftstoffeinspritzung, den Verbrennungsprozess sowie die erzeugten Emissionen modelliert,
- - Erstellen eines zweiten Modells S2,3, das den Luftpfad modelliert, und
- - Verbinden S3 des ersten Modells 2 und des zweiten Modells 3.
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Das Erstellen S1, S2 des Motormodells 1 aus dem ersten Modell 2 und dem zweiten Modell 3 bietet den Vorteil, dass das erste Modell 2 und das zweite Modell 3 je nach den Anforderungen der zu modellierenden Prozesse erstellt werden können. Durch das Verbinden S3 des ersten Modells 2 und des zweiten Modells 3 lassen sich die Vorteile beider Modelle miteinander kombinieren.
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In mehreren Aspekten der vorliegenden Offenbarung wird zum Erstellen des ersten Modells 2 ein statistisches Modell oder ein physikalisches Modell verwendet und wird zum Erstellen des zweiten Modells 3 ein statistisches Modell oder ein physikalisches Modell verwendet. Damit kann je nach den Anforderungen der geeignete Modelltyp ausgewählt werden. Wenn beispielsweise bei stationären oder quasistationären Bedingungen die Genauigkeit von Bedeutung ist, könnte ein statistisches Modell bevorzugt werden. Wenn eine transiente Dynamik ein wichtiges Merkmal ist, das mit dem Modell erfasst werden soll, könnte ein physikalisches Modell bevorzugt werden.
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In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung erfolgt das Verbinden (S3) über ein Mittelwertmodell des Motors (MVEM). Der MVEM-Ansatz bietet den Vorteil sehr kurzer Rechenzeiten. Er eignet sich deshalb für Echtzeitanwendungen. Das MVEM erhält Informationen zum Luftpfad aus dem zweiten Modell 3 und übermittelt Informationen zur Thermodynamik in den Zylindern an das zweite Modell 3. Das erste Modell 2 liefert dem MVEM relevante Parameter für die Kraftstoffeinspritzung, den Verbrennungsprozess sowie die erzeugten Emissionen. Auf diese Weise werden das erste Modell 2 und das zweite Modell 3 über das MVEM verbunden, wodurch eine wirksame und präzise Modellierung des Motors und des Luftpfads ermöglicht wird.
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Zum Erstellen des statistischen Modells wird ein Versuchsplanungsmodell (DoE) verwendet. Mit dem DoE-Modell lässt sich eine präzise Modellierung des Motorverhaltens über einen weiten Betriebsbereich unter stationären Bedingungen erzielen. Es wird daher vorteilhafterweise zur Optimierung der Motorkalibrierung eingesetzt.
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Das statistische Modell wird zum Erstellen des ersten Modells 2 verwendet Statistische Modelle, beispielsweise DoE-Modelle, sind physikalischen Modellen überlegen, wenn komplexe Sachverhalte wie die Kraftstoffeinspritzung, der Verbrennungsprozess sowie die erzeugten Emissionen mit hoher Präzision und unter hohen Anforderungen hinsichtlich der verfügbaren Rechenzeit modelliert werden müssen. Das DoE-Modell wird deshalb vorteilhafterweise zum Erstellen des ersten Modells 2 verwendet.
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Das physikalische Modell wird zum Erstellen des zweiten Modells 3 verwendet. Physikalische Modelle sind statistischen Modellen überlegen, wenn eine transiente Dynamik, beispielsweise eine Luftpfaddynamik, modelliert werden soll. Das physikalische Modell wird deshalb zum Erstellen des zweiten Modells 3 verwendet, wodurch eine präzise Modellierung des transienten Verhaltens im Luftpfad des Motors ermöglicht wird.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Motormodells 1, das mit dem in 1 dargestellten Verfahren erstellt wird. Das Motormodell 1 erhält als Eingangsdaten Steuerungssollwerte 4 aus einem Motorsteuergerät (ECU - engine control unit) 5. Die Steuerungssollwerte 4 legen die Zielwerte für relevante Größen fest. Nach abgeschlossener Berechnung wird ein Ergebnis 6 des Motormodells 1 als Ausgabe für das ECU 5 verwendet. Das Motormodell 1 ist derart ausgelegt, dass es Motorkalibrierungsvorgänge ausführt. Eine Kalibrierung der relevanten Größen kann durch Informationsübertragung zwischen dem ECU und dem Motormodell erfolgen.
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3 zeigt vereinfacht eine Kalibrierungsplattform für einen Antriebsstrang 7 mit der Bezeichnung FEV Virtual Calibration Platform (vCAP), die ein Bedienfeld 8, einen Hardware-in-the-loop-Schrank (HiL-Schrank) 9 und einen ECU-Schrank 10 umfasst. Das Bedienfeld 8 umfasst eine Tastatur zum Eingeben von Informationen sowie mehrere Monitore zum Anzeigen der Informationen. Der HiL-Schrank 9 umfasst ein Eingabe-Ausgabe(I/O)-Erfassungsmodul 11 und eine Recheneinrichtung 12, die ein Automatisierungssystem 13 umfasst. Der ECU-Schrank umfasst das ECU 5. Die Kalibrierungsplattform für einen Antriebsstrang 7 ist derart ausgelegt, dass ein Motormodell 1 nach einem der Ansprüche 7 oder 8 ausgeführt wird und die folgenden Schritte ausgeführt werden, wie in 4 dargestellt ist:
- - Eingeben S10 von Informationen in das Automatisierungssystem 13 über das Bedienfeld 8,
- - Festlegen S20 eines Kalibrierungsziels mithilfe des Automatisierungssystems 13 auf Grundlage der eingegebenen Informationen S10,
- - Festlegen S30 von Steuerungssollwerten 4 mit dem ECU 5 auf Grundlage des festgelegten Kalibrierungsziels S20,
- - Ausführen S40 des Motormodells 1 unter Berücksichtigung der festgelegten Steuerungssollwerte S30 und
- - Bereitstellen S50 eines Ergebnisses des ausgeführten Motormodells S40 mithilfe des Bedienfelds 8.
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Auf Grundlage der Festlegung S10 des Kalibrierungsziels ermöglicht die Kalibrierungsplattform für einen Antriebsstrang 7 die Kalibrierung der Einstellungen des ECU 5. Das Kalibrierungsziel wird von dem Automatisierungssystem 13 auf Grundlage der Informationen festgelegt S10, die unter Verwendung der Tastatur des Bedienfelds 8 eingegeben werden S10. Statt einer Tastatur können alternative Mittel zum Eingeben der Informationen ausgewählt werden, beispielsweise Spracheingabe oder automatisierte Informationseingabe über einen Befehlssatz wie ein Skript oder ein Programm. Das Kalibrierungsziel wird von dem Automatisierungssystem 13 über das I/O-Erfassungsmodul 11 des HiL-Schranks 9 an das ECU 5 übertragen. Das ECU 5 steuert den Betrieb des realen Motors. Der HiL-Schrank 9 umfasst Modelle für das Antriebsstrangsystem, die das Motormodell 1 umfassen. Demzufolge kann die Modellierung eines Motors, eines Abgasnachbehandlungssystems, eines Kühlsystems und eines Fahrzeugs ausgeführt werden.
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Auf Grundlage des festgelegten Kalibrierungsziels S20 werden Steuerungssollwerte 4 von dem ECU 5 festgelegt S30 und werden über das I/O-Erfassungsmodul 11 an das Motormodell 1 übertragen. Das Motormodell 1 wird von dem Automatisierungssystem 13 ausgeführt S40 und berechnet unter Berücksichtigung der Steuerungssollwerte 4 Motorparameter wie Drücke, Temperaturen, Drehmoment und Schadstoffemissionen. Die Ergebnisse des Motormodells 1 werden über das I/O-Erfassungsmodul 11 wieder an das ECU 5 gesendet, das den Motorbetrieb auf Basis der Ergebnisse regeln kann. Das ECU 5 überträgt die Ergebnisse an das I/O-Erfassungsmodul 11. Im HiL-Schrank 9 können die Ergebnisse des Motormodells 1 als Eingangs- und/oder Randbedingungen für weitere im HiL-Schrank 9 enthaltene Modelle verwendet werden. Das I/O-Erfassungsmodul 11 überträgt die Informationen, die die vom Motormodell 1 stammenden Ergebnisse sowie gegebenenfalls die aus weiteren Modellen stammenden Ergebnisse enthalten, an das Automatisierungssystem 13. Im Automatisierungssystem 13 werden die Ergebnisse nachbearbeitet und analysiert. Die Ergebnisse des Motormodells, die Nachbearbeitung und die Analyse werden zur grafischen Darstellung an die Monitore der Bedienfeldvorrichtung 8 geleitet. Alternativ oder zusätzlich können die Ergebnisse in Dateien gespeichert und/oder an eine Person oder an eine Vorrichtung gesendet werden.
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Die Kalibrierungsplattform für einen Antriebsstrang 7 ist so ausgestaltet, dass sie Kalibrierungsziele durch wiederholtes Ausführen der Schritte S10 bis S50 optimiert. Die Optimierung umfasst eine Bewertung der Ergebnisse des Motormodells 1 auf Grundlage der Nachbearbeitung und Analyse des Automatisierungssystems 13. In Abhängigkeit vom Bewertungsergebnis werden die Schritte S30 bis S50, die Nachbearbeitung, Analyse und Bewertung wiederholt oder werden die Steuerungssollwerte als optimierte Kalibriereinstellungen gespeichert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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