EP3642467A1 - Verfahren zur modellbasierten steuerung und regelung einer brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zur modellbasierten steuerung und regelung einer brennkraftmaschine

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EP3642467A1
EP3642467A1 EP18732291.2A EP18732291A EP3642467A1 EP 3642467 A1 EP3642467 A1 EP 3642467A1 EP 18732291 A EP18732291 A EP 18732291A EP 3642467 A1 EP3642467 A1 EP 3642467A1
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EP
European Patent Office
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optimizer
quality measure
gas path
model
injection system
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP18732291.2A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jens Niemeyer
Andreas Flohr
Jörg REMELE
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Rolls Royce Solutions GmbH
Original Assignee
MTU Friedrichshafen GmbH
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02D41/38—Controlling fuel injection of the high pressure type
    • F02D41/40—Controlling fuel injection of the high pressure type with means for controlling injection timing or duration
    • F02D41/401—Controlling injection timing

Definitions

  • the invention relates to a method for model-based control and regulation of a
  • Combustion model Injection system setpoint values for controlling the injection system actuators and via a gas path model Gas path setpoint values for controlling the gas path actuators are calculated.
  • Calculated internal combustion engine for example, the start of injection and a required rail pressure. These characteristics / maps are fitted with data at the manufacturer of the internal combustion engine on a test bench. The multiplicity of these characteristic curves / maps and the correlation of the
  • DE 10 2006 004 516 B3 describes a Bayes network with probability tables for determining an injection quantity
  • US 2011/0172897 A1 describes a method for adapting the start of injection and injection quantity via combustion models by means of neural networks.
  • Critical here is that only trained data are mapped, which must be learned only at a test bench run.
  • a model-based control method for the gas path of an internal combustion engine is known.
  • the gas path includes both the air side and the exhaust side together with an exhaust gas recirculation.
  • a first step of the process is from the
  • Measured variables of the gas path for example, the charge air temperature or the NOx concentration, the current operating situation of the internal combustion engine detected.
  • a quality measure within a prediction horizon is then likewise calculated from the measured variables via a physical model of the gas path. From the quality measure and the operating situation turn then in a third step the
  • Control signals for the actuators of the gas path set refers exclusively to the gas path and is based on a linearized gas path model. Due to the linearization a loss of information is unavoidable.
  • the invention is therefore based on the object to develop a method for model-based control and regulation of the entire engine at high quality.
  • the method is that depending on a desired torque on a
  • Combustion model Injection system setpoint values for controlling the injection system actuators and via a gas path model Gaspath setpoints for controlling the gas path actuators are calculated and that an optimizer calculates a quality measure as a function of the injection system setpoints and the gas path setpoints. Furthermore, the method consists in the optimizer minimizing the quality measure by changing the injection system setpoint values and gas path setpoint values within a prediction horizon and setting the injection system setpoint values and gas path setpoint values as relevant for setting the operating point of the internal combustion engine by the optimizer on the basis of the minimized quality measure become.
  • the minimized quality measure is calculated by the optimizer calculating a first quality measure at a first point in time, forecasting a second quality measure within the prediction horizon at a second time, and then a deviation of the two
  • Quality measures is determined. If the deviation is smaller than a limit value, then the optimizer sets the second quality measure as a minimized quality measure.
  • the limit value analysis is a termination criterion insofar as further minimization would not lead to any more precise adaptation. Instead of the limit value analysis, a predefinable number of
  • Recalculations are set as abort criterion.
  • a setpoint rail pressure value for a subordinate rail pressure control loop and immediately an injection start and an injection end for controlling an injector are then specified by the optimizer as an injection system setpoint.
  • the optimizer indirectly then the gas path setpoints, for example, a lambda setpoint for a subordinate lambda control loop and an EGR setpoint for a
  • Both the combustion model and the gas path model map the system behavior of the internal combustion engine as mathematical equations. These are determined once based on a reference internal combustion engine at a test bench run, the so-called DoE test bench run (DoE: Design of Experiments) or from simulation experiments. Since, for example, different emission targets for one and the same type of engine can be displayed, the coordination effort is significantly reduced. A distinction between a stationary and a transient operation, for example, in a load application in the
  • the target torque is set precisely while maintaining the emission limit value.
  • the models are individually tunable, the models in the sum of the internal combustion engine. The previously required characteristics and maps can thus be omitted.
  • FIG. 1 shows a system diagram
  • FIG. 2 shows a model-based system diagram
  • FIG. 3 is a program flowchart
  • FIG. 1 shows a system diagram of an electronically controlled internal combustion engine 1 with a common rail system.
  • the common rail system includes the following mechanical
  • a low-pressure pump 3 for conveying fuel from a fuel tank 2, a variable intake throttle 4 for influencing the flowing through
  • Fuel volume flow a high-pressure pump 5 for conveying the fuel under pressure increase, a rail 6 for storing the fuel and injectors 7 for injecting the fuel into the combustion chambers of the internal combustion engine 1.
  • a high-pressure pump 5 for conveying the fuel under pressure increase
  • a rail 6 for storing the fuel and injectors 7 for injecting the fuel into the combustion chambers of the internal combustion engine 1.
  • Common Railsystem be executed with individual memories, in which case, for example, in Injector 7 a single memory 8 is integrated as an additional buffer volume.
  • Injector 7 a single memory 8 is integrated as an additional buffer volume.
  • the illustrated gas path includes both the air supply and the exhaust gas removal.
  • Intercooler 12 a throttle valve 13, a junction 14 for merging the charge air with the recirculated exhaust gas and the inlet valve 15.
  • an EGR actuator 17 the turbine of the
  • the operation of the internal combustion engine 1 is determined by an electronic control unit 10 (ECU).
  • the electronic control unit 10 includes the usual components of a
  • Microcomputer system such as a microprocessor, I / O devices, buffers and memory devices (EEPROM, RAM).
  • I / O devices I / O devices
  • buffers and memory devices EEPROM, RAM
  • EEPROM electrically erasable programmable read-only memory
  • FIG. 1 A setpoint torque M (SET), which is predetermined via an operator, the rail pressure pCR, which is measured by means of a rail pressure sensor 9, the engine speed nIST, the charge air pressure pLL, the charge air temperature TLL, the humidity phi of the charge air, the exhaust gas temperature TAbgas, the air-fuel ratio lambda, the NOx actual value, optionally the pressure pES of the individual memory 8 and a
  • SET setpoint torque M
  • SET setpoint torque M
  • the rail pressure pCR which is measured by means of a rail pressure sensor 9
  • the engine speed nIST the charge air pressure pLL
  • the charge air temperature TLL the humidity phi of the charge air
  • Control of the intake throttle 4 a signal ve to control the injectors 7 (start of injection / injection end), a control signal DK to control the throttle valve 13, a control signal AGR to control the EGR actuator 17, a control signal TBP to control the turbine bypass valve 18 and an output size OFF.
  • the output variable OFF is representative of the further control signals for controlling and regulating the internal combustion engine 1,
  • FIG. 2 shows a model-based system diagram.
  • a combustion model 19 within the electronic control unit 10, a combustion model 19, a gas path model 20 and a Optimizer 21 is listed.
  • Both the combustion model 19 and the gas path model 20 map the system behavior of the internal combustion engine as mathematical equations.
  • the combustion model 19 statically maps the combustion processes.
  • the gas path model 20 forms the dynamic behavior of the air duct and the
  • Combustion model 19 includes single models, for example, for NOx and soot formation, exhaust gas temperature, exhaust gas mass flow, and peak pressure. These individual models in turn depend on the boundary conditions in the cylinder and the parameters of the injection.
  • the combustion model 19 is determined in a reference internal combustion engine in a test bench run, the so-called DoE test bench run (DoE: Design of Experiments). The DoE test bed run becomes systematic
  • the optimizer 21 evaluates the combustion model 19 with regard to the
  • Target torque M SOLL
  • the emission limit values for example the humidity phi of the charge air
  • the environmental boundary conditions for example the humidity phi of the charge air
  • the operating situation of the internal combustion engine is defined by the engine speed nIST, the charge air temperature TLL, the
  • the function of the optimizer 21 is now to evaluate the injection system setpoints for controlling the injection system actuators and the gas path setpoints for controlling the gas path actuators.
  • the optimizer 21 selects that solution in which a quality measure is minimized.
  • the quality measure is calculated as the integral of the quadratic nominal-actual deviations within the prediction horizon. For example, in the form:
  • w1, w2 and w3 denote a corresponding weighting factor.
  • the nitrogen oxide emission results from the humidity phi of the charge air, the charge air temperature, the start of injection SB and the rail pressure pCR.
  • the quality measure is minimized by calculating a first quality measure from the optimizer 21 at a first point in time, varying the injection system setpoint values and the gas path setpoints, and using this a second quality measure within the prediction horizon is forecasted. On the basis of the deviation of the two quality measures each other, the optimizer 21 determines a minimum quality measure and sets this as relevant for the
  • the target rail pressure pCR (SL) is the reference variable for the subordinate rail pressure control loop 22.
  • the manipulated variable of the rail pressure control loop 22 corresponds to the PWM signal for acting on the suction throttle.
  • the injector (FIG. 1: 7) is acted upon directly by the start of injection SB and the injection end SE.
  • the optimizer 21 indirectly determines the gas path setpoints. In the illustrated example, these are a lambda setpoint LAM (SL) and an EGR setpoint AGR (SL) for specification for the two subordinate control loops 23 and 24.
  • the returned measured variables MESS are read in by the electronic control unit 10.
  • the measured quantities MESS are to be understood as meaning directly measured physical quantities as well as auxiliary variables calculated therefrom.
  • the actual lambda value LAM (ACTUAL) and the EGR actual value AGR (ACTUAL) are read in.
  • FIG. 3 shows the method in a program flow chart.
  • Initialization at S 1 is checked at S2 whether the starting process is completed. If this still runs, query result S2: no, branches back to point A. If the starting process has ended, then at S3 the setpoint torque M (DESIRED), which can be predetermined by the operator, and the NOx setpoint value NOx (SOLL) are read in. Following this, at S4 the operating situation of the
  • the operating situation is defined by the measured variables, in particular by the engine speed nIST, the charge air temperature TLL, the charge air pressure pLL, the wet phi of the charge air, etc.
  • the subroutine optimizer is called and the initial values, for example the injection start SB, are generated at S6.
  • a first quality measure Jl is calculated using equation (1) at S7, and a running variable i is set to zero at S8. After that, the initial values are changed at S9 and calculated as new setpoint values for the manipulated variables.
  • the run variable i is increased by one.
  • a second quality measure J2 is then predicted for Si within the prediction horizon, for example for the next 8 seconds.
  • the second quality measure J2 is subtracted from the first quality measure J1 and compared with a limit value GW.
  • a limit value GW is checked about the difference of the two quality measures.
  • the further progress of the quality measure is checked.
  • the two threshold considerations are one
  • Query result S12 no, it branches back to point C. Otherwise, at S13 the optimizer sets the second quality measure J2 as a minimum quality measure J (min). From the minimum quality measure J (min), the injection system setpoint values and the gas path setpoint values then result for the specification for the corresponding actuators. Following this, S 14 checks whether an engine stop has been initiated. If this is not the case, query result S14: no, branch back to point B. Otherwise, the program schedule is finished.
  • FIG. 4 shows a time diagram.
  • FIG. 4 comprises FIGS. 4A to 4D.
  • Figure 4A shows the course of the nitrogen oxide emission NOx
  • Figure 4B shows the course of the nitrogen oxide emission NOx
  • the time range before to is the past.
  • the prediction horizon for example 8s, corresponds to the time range t0 to t0 + tp.
  • ts is a calculation time designated at which a new setpoint, for example, the injection start SB, is output from the electronic control unit.
  • SOLL constant setpoint torque M
  • the NOx target value course NOx (SL) in FIG. 4A is predetermined. From these initial values results a correspondingly large desired actual deviation dNOx, see FIG. 4A.
  • the NOx actual value is calculated as a function of the measured air pressures in the air path and the start of injection SB. Using equation (1), the optimizer calculates a first quality measure J1 at time t0. The optimizer then calculates how a change in the start of injection SB, the desired lambda value, is calculated
  • the optimizer determines the second quality measure J2 for each of the times shown. About the subtraction of the two quality measures and the
  • EGR actuator exhaust gas recirculation

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Abstract

Vorgeschlagen wird Verfahren zur modellbasierten Steuerung und Regelung einer Brennkraftmaschine (1), bei dem in Abhängigkeit eines Sollmoments über ein Verbrennungsmodell (19) Einspritzsystem-Sollwerte zur Ansteuerung der Einspritzsystem- Stellglieder und über ein Gaspfadmodell (20) Gaspfad-Sollwerte zur Ansteuerung der Gaspfad- Stellglieder berechnet werden, bei dem von einem Optimierer (21) ein Gütemaß in Abhängigkeit der Einspritzsystem-Sollwerte und der Gaspfad-Sollwerte berechnet wird, vom Optimierer (21) das Gütemaß über Veränderung der Einspritzsystem-Sollwerte und Gaspfad-Sollwerte innerhalb eines Prädiktionshorizonts minimiert wird und bei dem vom Optimierer (21) anhand des minimierten Gütemaßes die Einspritzsystem-Sollwerte und Gaspfad-Sollwerte alsmaßgeblich zur Einstellung des Betriebspunkts der Brennkraftmaschine (1) gesetzt werden.

Description

BESCHREIBUNG Verfahren zur modellbasierten Steuerung und Regelung einer Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur modellbasierten Steuerung und Regelung einer
Brennkraftmaschine, bei dem in Abhängigkeit eines Soll- Moments über ein
Verbrennungsmodell Einspritzsystem-Sollwerte zur Ansteuerung der Einspritzsystem- Stellglieder und über ein Gaspfadmodell Gaspfad-Sollwerte zur Ansteuerung der Gaspfad- Stellglieder berechnet werden.
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, zum Beispiel 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 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 AI ein Verfahren zur Adaption des Spritzbeginns sowie Spritzmenge über Verbrennungsmodelle mittels neuronaler Netze. Kritisch ist hierbei, dass lediglich trainierten Daten abgebildet werden, die erst bei einem Prüfstandslauf gelernt werden müssen.
Aus der US 2016/0025020 AI ist ein modellbasiertes Regelverfahren für den Gaspfad einer Brennkraftmaschine bekannt. Der Gaspfad umfasst sowohl die Luftseite als auch die Abgasseite nebst einer Abgas-Rückführung. In einem ersten Schritt des Verfahrens wird aus den
Messgrößen des Gaspfads, zum Beispiel die Ladelufttemperatur oder die NOx-Konzentration, die aktuelle Betriebssituation der Brennkraftmaschine festgestellt. In einem zweiten Schritt wird dann ebenfalls aus den Messgrößen über ein physikalisches Modell des Gaspfads ein Gütemaß innerhalb eines Prädiktionshorizonts berechnet. Aus dem Gütemaß und der Betriebssituation wiederum werden dann in einem dritten Schritt die
Ansteuersignale für die Stellglieder des Gaspfads festgelegt. Das angegebene Verfahren bezieht sich ausschließlich auf den Gaspfad und basiert auf einem linearisierten Gaspfadmodell. Durch die Linearisierung bedingt ist ein Informationsverlust unvermeidbar.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur modellbasierten Steuerung und Regelung der ganzen Brennkraftmaschine bei hoher Güte zu entwickeln.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale von Anspruch 1. Die Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen dargestellt.
Das Verfahren besteht darin, dass in Abhängigkeit eines Sollmoments über ein
Verbrennungsmodell Einspritzsystem-Sollwerte zur Ansteuerung der Einspritzsystem- Stellglieder und über ein Gaspfadmodell Gaspfad-Sollwerte zur Ansteuerung der Gaspfad- Stellglieder berechnet werden und dass von einem Optimierer ein Gütemaß in Abhängigkeit der Einspritzsystem-Sollwerte und der Gaspfad-Sollwerte berechnet wird. Ferner besteht das Verfahren darin, dass vom Optimierer das Gütemaß über Veränderung der Einspritzsystem- Sollwerte und Gaspfad-Sollwerte innerhalb eines Prädiktionshorizonts minimiert wird und vom Optimierer anhand des minimierten Gütemaßes die Einspritzsystem-Sollwerte und Gaspfad- Sollwerte als maßgeblich zur Einstellung des Betriebspunkts der Brennkraftmaschine gesetzt werden. Berechnet wird das minimierte Gütemaß indem vom Optimierer zu einem ersten Zeitpunkt ein erstes Gütemaß berechnet wird, zu einem zweiten Zeitpunkt ein zweites Gütemaß innerhalb des Prädiktionshorizonts prognostiziert wird und anschließend eine Abweichung der beiden
Gütemaße bestimmt wird. Ist die Abweichung kleiner als ein Grenzwert, so wird vom Optimierer das zweite Gütemaß als minimiertes Gütemaß gesetzt. Die Grenzwertbetrachtung ist insofern ein Abbruchkriterium, da eine weitere Minimierung zu keiner noch präziseren Anpassung führen würde. Anstelle der Grenzwertbetrachtung kann auch eine vorgebbare Anzahl von
Neuberechnungen als Abbruchkriterium gesetzt werden. Anhand des minimale Gütemaßes werden dann vom Optimierer als Einspritzsystem-Sollwert mittelbar ein Raildruck-Sollwert für einen unterlagerten Raildruck-Regelkreis und unmittelbar ein Spritzbeginn sowie ein Spritzende zur Ansteuerung eines Injektors vorgegeben. Ergänzend werden dann vom Optimierer mittelbar die Gaspfad-Sollwerte, zum Beispiel ein Lambda- Sollwert für einen unterlagerten Lambda-Regelkreis und ein AGR-Sollwert für einen
unterlagerten AGR-Regelkreis, vorgegeben.
Sowohl das Verbrennungsmodell als auch das Gaspfadmodell bilden das Systemverhalten der Brennkraftmaschine als mathematische Gleichungen ab. Bestimmt werden diese einmalig anhand einer Referenz-Brennkraftmaschine bei einem Prüfstandslauf, dem sogenannten DoE- Prüfstandslauf (DoE: Design of Experiments) oder aus Simulationsversuchen. Da zum Beispiel unterschiedliche Emissionsziele für ein und denselben Brennkraftmaschinentyp darstellbar sind, reduziert sich der Abstimmungsaufwand in entscheidendem Maße. Eine Unterscheidung in einen stationären und einen transienten Betrieb, zum Beispiel bei einer Lastaufschaltung im
Generatorbetrieb, ist nicht mehr erforderlich. Zudem wird das Sollmoment unter Einhaltung der Emissionsgrenzwert präzise eingestellt. Die Modelle sind einzeln abstimmbar, wobei die Modelle in der Summe die Brennkraftmaschine abbilden. Die bisher erforderlichen Kennlinien und Kennfelder können somit entfallen.
In den Figuren ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt. Es zeigen:
Figur 1 ein Systemschaubild,
Figur 2 ein modellbasiertes Systemschaubild,
Figur 3 einen Programm- Ablaufplan und
Figur 4 Zeitdiagramme
Die Figur 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.
Angeordnet sind in der Luftzuführung der Verdichter eines Abgasturbo laders 11 , eine
Ladeluftkühler 12, eine Drosselklappe 13, eine Einmündungsstelle 14 zur Zusammenführung der Ladeluft mit dem rückgeführten Abgas und das Einlassventil 15. In der Abgasführung angeordnet sind neben dem 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, I/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 Figur 1 sind exemplarisch folgende Eingangsgrößen dargestellt: Ein Sollmoment M(SOLL), welches über einen Bediener vorgegeben wird, der 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 Figur 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 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 .
Die Figur 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. 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 hängen ab 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 Stellgröße 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:
(1) J = J [wl(NOx(SOLL)-NOx(IST)]2 + [w2(M(SOLL)-M(IST)]2 + [w3(....)] + · · ·
Hierin bedeuten wl, w2 und w3 einen entsprechenden Gewichtungsfaktor. Bekanntermaßen ergeben sich die Stickoxidemission aus der Feuchte phi der Ladeluft, der Ladelufttemperatur, dem Spritzbeginn SB und dem Raildruck pCR.
Minimiert wird das Gütemaß, indem vom Optimierer 21 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 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 22. Die Stellgröße des Raildruck-Regelkreises 22 entspricht dem PWM-Signal zu Beaufschlagung der Saugdrossel. Mit dem Spritzbeginn SB und dem Spritzende SE wird der Injektor (Fig. 1 : 7) unmittelbar beaufschlagt. Für den Gaspfad bestimmt der Optimierer 21 mittelbar die Gaspfad- Sollwerte. Bei dem dargestellten Beispiel sind dies ein Lamda-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 Lamda- Istwert LAM(IST) und der AGR-Istwert AGR(IST) eingelesen.
In der Figur 3 ist das Verfahren in einem Programm- Ablaufplan dargestellt. Nach der
Initialisierung bei S 1 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 das vom Bediener vorgebbare Sollmoment M(SOLL) und der NOx-Sollwert NOx(SOLL) eingelesen. Im Anschluss daran wird bei S4 die Betriebssituation der
Brennkraftmaschine erfasst. Definiert wird die Betriebssituation über die Messgrößen, insbesondere über die Motordrehzahl nIST, die Ladelufttemperatur TLL, den Ladeluftdruck pLL, die Feucht phi der Ladeluft usw. Bei S5 wird das Unterprogramm Optimierer aufgerufen und die Anfangswerte, zum Beispiel der Spritzbeginn SB, bei S6 erzeugt. Ein erstes Gütemaß Jl wird anhand der Gleichung (1) bei S7 berechnet und bei S8 eine Laufvariable i auf null gesetzt. Danach werden bei S9 die Anfangswerte verändert und als neue Sollwerte für die Stellgrößen berechnet. Bei S10 wird die Laufvariable i um eins erhöht. Anhand der neuen Sollwerte wird dann bei Si l ein zweites Gütemaß J2 innerhalb des Prädiktionshorizonts, zum Beispiel für die nächsten 8 Sekunden, prognostiziert. Bei S12 wiederum wird das zweite Gütemaß J2 vom ersten Gütemaß Jl 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 S12: nein, so wird zum Punkt C zurück verzweigt. Anderenfalls wird bei S13 vom Optimierer das zweite Gütemaß J2 als minimales Gütemaß J(min) gesetzt. Aus dem minimalen Gütemaß J(min) resultieren dann die Einspritzsystem-Sollwerte und die Gaspfad- Sollwerte zur Vorgabe für die entsprechenden Stellglieder. Im Anschluss daran wird bei S 14 geprüft ob ein Motorstopp initiiert wurde. Ist dies nicht der Fall, Abfrageergebnis S14: nein, wird zum Punkt B zurückverzweigt. Anderenfalls ist der Programm- Ablaufplan beendet.
In der Figur 4 ist ein Zeitdiagram dargestellt. Die Figur 4 umfasst die Figuren 4A bis 4D. Hierbei zeigen die Figur 4A den Verlauf der Stickoxid-Emission NOx, Figur 4B
den Spritzbeginn SB in Grad Kurbelwellenwinkel vor dem oberen Totpunkt (OT), Figur 4C den Verlauf des Lambda-Sollwerts LAM(SL) und Figur 4D den Soll-Raildruck pCR(SL). Der Zeitbereich vor tO entspricht der Vergangenheit. Der Prädiktionshorizont, zum Beispiel 8s, entspricht dem Zeitbereich tO bis tO+tp. Mit ts ist eine Berechnungszeit bezeichnet, bei der ein neuer Sollwert, zum Beispiel der Spritzbeginn SB, vom elektronischen Steuergerät ausgegeben wird. Bei dem dargestellten Beispiel wird von einem konstanten Sollmoment M(SOLL) ausgegangen.
Zum Zeitpunkt tO sind die Anfangswerte des Spritzbeginns SB=8°, der Lamda-Sollwert
LAM(SL)=1.9 und der Soll-Raildruck pCR(SL)=1500 bar gesetzt. Der NOx-Sollwertverlauf NOx(SL) in der Figur 4A ist vorgegeben. Aus diesen Anfangswerten resultiert eine entsprechend große Soll-Istabweichung dNOx, siehe Figur 4A. Der NOx-Istwert wird in Abhängigkeit der gemessenen Luftdrücke im Luftpfad und des Spritzbeginns SB berechnet. Über die Gleichung (1) berechnet der Optimierer ein erstes Gütemaß Jl zum Zeitpunkt tO. Anschließend berechnet der Optimierer wie sich eine Veränderung des Spritzbeginns SB, des Lambda-Sollwerts
LAM(SL) und des Soll-Raildrucks pCR(SL) innerhalb der Prädiktionshorizonts (tO+tP) auf die Soll-Istabweichung dNOx auswirken würde, beispielsweise indem der Soll-Raildruck sukzessive bis auf pCR(SL)=2000 bar erhöht wird. Der Optimierer ermittelt zu jedem der dargestellten Zeitpunkte das zweite Gütemaß J2. Über die Subtraktion der beiden Gütemaße und die
Grenzwertbetrachtung wird dann das Gütemaß minimiert, das heißt, es wird geprüft ob eine weitere Optimierung erfolgversprechend ist. Für das dargestellte Beispiel ermittelt der
Optimierer ein minimales Gütemaß für den Zeitpunkt tO+4, was sich in der Figur 4A in der Annäherung des NOx-Istwerts NOx(IST) an den NOx-Sollwerts NOx(SL) wiederspiegelt. 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
16 Auslassventil
17 AGR-Stellglied (AGR: Abgasrückführung)
18 Turbinen-Bypassventil
19 Verbrennungsmodell
20 Gaspfadmodell
21 Optimierer
22 Raildruck-Regelkreis
23 Lambda-Regelkreis
24 AGR-Regelkreis

Claims

ANSPRÜCHE
1. Verfahren zur modellbasierten Steuerung und Regelung einer Brennkraftmaschine (1), bei dem in Abhängigkeit eines Sollmoments (M(SOLL)) über ein Verbrennungsmodell (19) Einspritzsystem-Sollwerte zur Ansteuerung der Einspritzsystem- Stellglieder und über ein Gaspfadmodell (20) Gaspfad-Sollwerte zur Ansteuerung der Gaspfad-Stellglieder berechnet werden, bei dem von einem Optimierer (21) ein Gütemaß (J) in Abhängigkeit der
Einspritzsystem-Sollwerte und der Gaspfad-Sollwerte berechnet wird, vom Optimierer (21) das Gütemaß (J) über Veränderung der Einspritzsystem-Sollwerte und Gaspfad-Sollwerte innerhalb eines Prädiktionshorizonts minimiert wird und bei dem vom Optimierer (21) anhand des minimierten Gütemaßes (J(min)) die Einspritzsystem-Sollwerte und Gaspfad-Sollwerte als maßgeblich zur Einstellung des Betriebspunkts der Brennkraftmaschine (1) gesetzt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gütemaß (J) minimiert wird indem vom Optimierer (21) zu einem ersten Zeitpunkt ein erstes Gütemaß (Jl) berechnet wird, zu einem zweiten Zeitpunkt ein zweites Gütemaß (J2) innerhalb des Prädiktionshorizonts prognostiziert wird, eine Abweichung aus erstem (Jl) und zweitem Gütemaß (J2) bestimmt wird und vom Optimierer (21) das zweite Gütemaß (J2) als minimiertes Gütemaß (J(min)) gesetzt wird bei dem die Abweichung kleiner als ein Grenzwert (GW) wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gütemaß (J) minimiert wird indem vom Optimierer (21) zu einem ersten Zeitpunkt ein erstes Gütemaß (Jl) berechnet wird, zu einem zweiten Zeitpunkt ein zweites Gütemaß (J2) innerhalb des Prädiktionshorizonts prognostiziert wird und vom Optimierer (21) das zweite Gütemaß (J2) als minimiertes Gütemaß (J(min)) nach Durchlaufen einer vorgebbaren Anzahl (i) von Neuberechnungen gesetzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass vom Optimierer (21) als Einspritzsystem-Sollwert mittelbar ein Raildruck-Sollwert (pCR(SL)) für einen unterlagerten Raildruck-Regelkreis (22) vorgegeben werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass vom Optimierer (21) als Einspritzsystem-Sollwert unmittelbar ein Spritzbeginn (SB) und ein Spritzende (SE) zur Ansteuerung eines Injektors (7) vorgegeben werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vom Optimierer (21) mittelbar Gaspfad-Sollwerte für unterlagerte Gaspfad-Regelkreise (23, 24) vorgegeben werden.
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