WO2009024268A2 - Modellierungsverfahren und steuergerät für einen verbrennungsmotor - Google Patents

Modellierungsverfahren und steuergerät für einen verbrennungsmotor Download PDF

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WO2009024268A2 PCT/EP2008/006552 EP2008006552W WO2009024268A2 WO 2009024268 A2 WO2009024268 A2 WO 2009024268A2 EP 2008006552 W EP2008006552 W EP 2008006552W WO 2009024268 A2 WO2009024268 A2 WO 2009024268A2
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Definitions

  • the invention relates to a modeling method for modeling at least one internal combustion engine, preferably an internal combustion engine with a vehicle, as well as a control device for at least one internal combustion engine of a vehicle.
  • DE 44 18 731 A1 discloses a method for controlling or regulating processes in a motor vehicle, in which a characteristic diagram is used which is automatically adapted to a changed process behavior by means of correction factors.
  • the invention proposes a modeling method for modeling at least one internal combustion engine, preferably an internal combustion engine with a vehicle, in which a gray box model is formed from at least one white box model and at least one black box model, which in FIG the white box model is embedded; and where, as a white-box model, areas of the internal combustion engine are calculated that develop less dynamic than areas that are calculated as a black-box model.
  • Model is understood here as an image of the real behavior of a system with the help of software without the use of real components.
  • a white-box model is known to be based on the fundamental physical relationships of the components of the system and is therefore also referred to as a physical model or analytical model or structural model.
  • a black box model is based on the measurements of the input and output behavior of the system without considering its internal physical structure, and is therefore referred to as a mathematical model or descriptive model or pragmatic model.
  • a gray box model is a form containing white and black box models, which are linked together in the gray box model.
  • the gray box model formed by the proposed modeling method is a global dynamic model and represents the system behavior of the internal combustion engine and, optionally, the vehicle containing the internal combustion engine, which can be further enhanced as the level of detail of the model increases.
  • the property "global” here means that at least one, preferably two state variables such as speed and / or load are used in the model and this is thus preferably valid for all operating states.
  • the proposed gray box model is physically based because it at least mimics a higher dynamic range, such as the high pressure process, of the internal combustion engine stationary in the black box model and this into a dynamic white box model of at least one other low dynamic range, such as For example, the air path, the internal combustion engine embeds, which is physically constructed.
  • the black box model can be used for a part of the overall model, ie the gray box model, for which a physical modeling would be too costly and / or has no or only a minor influence on the dynamics of the overall system.
  • the separation between white and black box model can preferably be done using characteristic input variables and output variables.
  • characteristic input variables can be, for example, a pressure at an inlet and / or outlet valve and / or an oxygen concentration at an inlet and / or outlet valve and / or a temperature at an inlet and / or outlet valve and / or an injection time and / or or an injection quantity and / or an injection pressure and / or a combustion focal point position and / or a combustion duration.
  • These characteristic output variables may include, for example, a pressure in the combustion chamber and / or a torque and / or an exhaust gas temperature and / or an exhaust gas mass flow and / or an exhaust gas composition and / or an exhaust gas back pressure. Since the gray-box model formed by the proposed modeling method simulates at least one low-dynamic range, such as the air path, and thus the dynamic behavior of the internal combustion engine or vehicle, and is preferably valid for the entire operating range, it is suitable for the future emission scenarios ,
  • the proposed modeling method has the advantage that the required test bench time and the time for vehicle examinations and thus also the expenditure for measuring devices and test benches can be reduced to a minimum. All you have to do is start a survey to create the gray box model, especially the black box model. After the application, which can be performed at the desk, then only Veriquess protest must be performed. In addition, any number of further variants can be calculated without having to re-use the test stand, since the optimization run and thus the result can be adapted by shifting weights or modifying boundary conditions.
  • the entire dynamics or the predominant part of the dynamics of the internal combustion engine or vehicle is predetermined by at least one low-dynamic range, such as the air path. If required, however, any other properties and systems can be added to the overall model.
  • the areas which are calculated as a white-box model comprise an air path of the internal combustion engine and the areas which are calculated as a black box model, a high-pressure process of the internal combustion engine.
  • a white-box model a physical modeling of at least one dynamic system and in a black-box model a parametric modeling of complex static relationships takes place.
  • the gray box model comprises a white box model of engine dynamics and / or a white box model of a load unit.
  • the load unit may include, for example, a crankshaft, a powertrain, wheel brakes, road conditions such as ascent and descent, the wind, a brake of a test bench, the engine via the drive train and the crankshaft is loaded and also referred to as a loading device or comprise the load exerted in the vehicle by the wheels.
  • the gray box model is modular. For example, when replacing the turbocharger or the injector only the corresponding model and thus only a small part of the overall model must be adjusted.
  • Each black box model can be created in different ways, preferably by statistical design.
  • Each black box model can use different input and output sizes.
  • the black box model has as input variables at least one physical variable at the inlet valve and / or outlet valve, in particular a pressure and / or an oxygen concentration and / or a temperature, and / or at least one injection parameter, in particular an injection timing and / or an injection quantity and / or an injection pressure, and / or at least one characteristic of the combustion, in particular a combustion center position and / or a combustion duration used.
  • the black box model uses as outputs at least one pressure in the combustion chamber and / or a torque and / or an exhaust gas temperature and / or an exhaust gas mass flow and / or an exhaust gas composition and / or an exhaust gas back pressure.
  • Each black box model can be realized according to another principle and comprise, for example, at least one polynomial model and / or at least one neural network.
  • the proposed modeling method is intended for use in a control method for controlling the internal combustion engine, wherein dynamic setpoint curves and pilot controls are used such that at least one setpoint value and at least one precontrol value are dynamically predefined as time profiles with the aid of the modeling method.
  • the invention also proposes a modeling method for modeling at least one internal combustion engine, which is intended for use in a control method for controlling the internal combustion engine, wherein dynamic setpoint curves and pilot controls are used in such a way that with the aid of the modeling method.
  • at least one desired value and at least one precontrol value are dynamically predefined as time profiles.
  • the dynamic setpoint curves and pilot controls may, for example, comprise an extended two-degree of freedom design for at least one controller which not only reads the respective setpoint and pilot control values from characteristic maps, but dynamically predetermines them as time profiles or trajectories.
  • the dynamic predefinition of the temporal courses can be done differently.
  • the dynamic predetermination of the temporal courses can take place, for example, in that the time profiles in at least one characteristic map are stored with at least one axis that corresponds to the time axis of a specific dynamic process and executed when the dynamic process is detected.
  • the dynamic process may be, for example, a so-called "tip-in".
  • the dynamic predetermining of the time profiles can be effected by storing the time profiles as at least one parametric function having at least one input variable which has a time dependence corresponding to the dynamic process.
  • the parameters of the parametric function can be stored, for example, in operating point-dependent maps.
  • the dynamic specification of the temporal courses can take place in that the time profiles are stored as at least one inverse dynamic model of the controlled system, which calculates the precontrol curve for a desired course.
  • the dynamic procedure of the temporal courses can take place in that corrections are applied which are stored as at least one characteristic map, which depends on the rate of change of a variable, in particular the injection quantity and / or rotational speed.
  • control method directly limits the input variables, such as a limited adjustment range of an actuator, and
  • Output variables such as a smoke map, are taken into account.
  • the proposed modeling method preferably leads to a linearization of the system to be controlled around a desired trajectory.
  • the actual controller can be relieved and designed more in the direction of interference compensation, since the follow-up behavior is largely taken over by the pilot control.
  • phenomena such as aging, wear and component scattering also cause interference and are thus compensated by the controller.
  • the proposed modeling method is for use in a calibration method for calibrating the internal combustion engine, using a simulation environment that is a replica of, in particular, the proposed control method for controlling the internal combustion engine and an implementation of a gray formed by the proposed modeling method Box model includes.
  • the application of a control unit, which implements the control method be carried out very efficiently and safely.
  • the invention further proposes a modeling method for modeling at least one internal combustion engine, which is intended for use in a calibration method for calibrating the internal combustion engine, using a simulation environment which is a simulation of one, in particular of the proposed control method for controlling the internal combustion engine Implementation of a gray box model formed by the vor ⁇ eanye Modeü ists vide includes.
  • the procedure for the application of a test or driving cycle can be chosen differently.
  • the proposed modeling method is intended for use in a calibration method for calibrating at least one internal combustion engine, wherein the steps are provided that: a) a driving cycle is selected, b) then the entire driving cycle is simulated with a current application ; c) then the application is optimized taking into account map smoothness; d) then the optimization is verified so that upon successful verification a calibration for the drive cycle is obtained.
  • the legislator prescribes vehicle manufacturers for the certification of exhaust emissions and fuel consumption driving cycles, for example the NEDR (abbreviation for "New European Driving Cycle”), which differ by vehicle type and market and form the basis for determining the certification-relevant exhaust emission and fuel consumption values.
  • a legal driving cycle for example the NEDC
  • any other driving cycle can be selected as the desired driving cycle, such as a real driving cycle.
  • the proposed gray box model can be operated according to the load which would result in the selected drive cycle on a real internal combustion engine. From this one obtains information about the exhaust emissions and the fuel consumption of the system. This information depends on the selected parameters, which are stored in maps and impacted regulatory procedures on the gray box model.
  • an optimal calibration for the selected test cycle is available.
  • a preferably weighted average can be formed from the calibrations of the vehicle cycles.
  • a weighted average can be formed from the optimum for the respective driving cycles calibrations, preferably the legal driving cycles are assigned higher weights than the other driving cycles.
  • step c) can be carried out differently, for example by: determining the quality of the application by analyzing at least one emission profile and / or calculating at least one integral emission over the drive cycle; and the entries in the maps are adjusted to minimize the emissions and / or the smoothness of the maps.
  • the adaptation of the entries in the maps can preferably be done manually and / or automatically. In order to ensure driveability, jumps or steep gradients in the maps should be avoided. For this purpose, a value or measure can be used which universally evaluates the smoothness of a characteristic diagram and which can preferably also be minimized.
  • This value or measure of map smoothness may be, for example, a weighted integral across the squares of the first and second derivatives of the map in the direction of the two nodes.
  • the first derivative is a measure of the slope in the map
  • the second derivative is a measure of the curvature of the map.
  • both the interpolation points and the map values can be scaled in the range between 0 and 1.
  • the map smoothness can preferably be defined by the following equation:
  • step d) takes place directly on the internal combustion engine and / or on a vehicle comprising the internal combustion engine.
  • step d) the application is changed and then steps b) to d) are executed. This can be done, for example, if the verification was unsuccessful.
  • the invention further proposes a control method for controlling at least one internal combustion engine, wherein dynamic setpoint curves and pilot controls are used such that with the aid of one, in particular the proposed modeling method for modeling the internal combustion engine, at least one desired value and at least one pilot control value are dynamically predefined as time profiles.
  • the dynamic predetermination of the time profiles takes place in that: the time profiles in at least one characteristic map are stored with at least one axis that corresponds to the time axis of a specific dynamic process and are executed when the dynamic process is detected; and / or - the temporal courses are stored as at least one parametric function with at least one input variable which has a time dependency corresponding to the dynamic procedure; and / or the time profiles are stored as at least one inverse dynamic model of the controlled system, which calculates the precontrol curve for a desired course; and or
  • Corrections are applied, which are deposited as at least one map that depends on the rate of change of a variable, in particular the injection quantity and / or speed.
  • the invention also proposes a calibration method for calibrating at least one internal combustion engine, wherein a simulation environment is used, which is a replica of a, in particular of the proposed control method for controlling the internal combustion engine and an implementation of a by, in particular the proposed modeling method for modeling the internal combustion engine formed gray box model includes.
  • a driving cycle is selected, b) then the entire driving cycle is simulated with a current application; c) then the application is optimized taking into account map smoothness; d) then the optimization is verified, so that a calibration for the driving cycle is obtained on successful verification.
  • step d) another driving cycle is selected and then the steps b) to d) are executed.
  • step c) takes place in that: the quality of the application is determined by analyzing at least one emission curve and / or calculating at least one integral emission over the drive cycle; and the entries in the maps are adjusted to minimize the emissions and / or the smoothness of the maps.
  • step d) takes place directly on the internal combustion engine and / or on a vehicle comprising the internal combustion engine.
  • step d) the application is changed and then steps b) to d) are executed.
  • the invention also proposes a control device for at least one internal combustion engine of a vehicle, wherein the control device has a pre-calibration of a dynamic behavior of the internal combustion engine implemented; wherein the pre-calibration includes results of a simulation of a gray box model of the internal combustion engine, wherein at least a portion of the internal combustion engine is included as a black box model and at least one portion of the internal combustion engine is a white box model; and wherein the area included as a white box model develops less dynamic than the area included as a black box model. It can be provided that a combustion process in a cylinder is included as a black box model and an air path of the internal combustion engine as a white box model.
  • the pre-calibration is provided with an adaptation for adaptation of data during operation of the internal combustion engine.
  • the pre-calibration is linked to an on-board diagnostic system of the vehicle and local data has been deposited by the pre-calibration.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a gray box model used in a modeling process for modeling a motor vehicle with an internal combustion engine
  • FIG. 2 is a schematic representation of a cylinder of the internal combustion engine for explaining the high pressure process occurring therein, which is reproduced in the black box model of the gray box model of FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a schematic diagram of a simulation environment with the aid of which
  • Internal combustion engine can be calibrated.
  • a gray box model 10 is shown in a preferred embodiment, which simulates a motor vehicle, not shown, with an internal combustion engine, not shown. It has several white box models 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 for different subsystems of the air path of the internal combustion engine, a white box model 20 of the engine dynamics of the internal combustion engine, a white box Model 21 of the vehicle powertrain, not shown, as well as a black box model 22 of the high-pressure process of the internal combustion engine explained in more detail below.
  • the white box model 11 is associated with the environment of the internal combustion engine.
  • the white-box models 12-14 are each associated with at least one compressor, at least one inertia and at least one turbine of at least one exhaust-gas turbocharger, not shown, of the internal combustion engine.
  • the white box models 15-17 are each at least one mixing valve, at least one cooler and at least one Branch valve associated with at least one external exhaust gas recirculation of the internal combustion engine, not shown. If two or more compressors should be present, at least two of these compressors may each have their own white box model 12 associated with a common white box model 12 and / or at least one of these compressors. This also applies accordingly to two or more mass inertias, turbines, mixing valves, coolers and / or branch valves.
  • the white-box models 18, 19 are a suction tube 23 - see. Fig. 2 - or a not shown exhaust gas collector 24 - see. Fig. 2 - associated with the internal combustion engine.
  • Box model 22 modularly modeled.
  • the black-box model 22 was formed here with the aid of the usual in the application, but supplemented by a measurement of the relevant physical input and output engine test bench experiments.
  • FIG. 2 shows a cylinder 25 of the internal combustion engine which has the intake manifold 23, the exhaust manifold 24, an inlet valve 26, a combustion chamber 27, a piston 28, a connecting rod 29 and an outlet valve 30.
  • the characteristic input variables used in the black box model 22 here include the pressure, the oxygen concentration and the temperature in the intake manifold 23 at the inlet valve 26 as well as the injection timing, injection quantity and injection pressure of an injector (not shown) projecting into the combustion chamber 27.
  • the characteristic output variables used in the black box model 22 here include the combustion pressure and the indicated mean pressure in the combustion chamber 27, the torque taken off via the connecting rod 29 and the exhaust gas temperature, the exhaust gas mass flow, the exhaust gas composition and the exhaust gas
  • FIG. 3 shows a simulation environment 31 which can be used for the calibration and application of the internal combustion engine.
  • the calibration can be done by means of dynamic driving, which may include, for example, simple acceleration and deceleration and / or complex driving cycles such as the NEDC.
  • dynamic parameters relevant for the calibration such as exhaust emissions, fuel consumption, jerkiness or noise, are determined and improved by optimization runs.
  • control and / or control parameters of the application are adjusted and stored as dynamic curves over time, which may include injection timing, Zündzeittician- and / or injection amounts, for example, stored in a control unit, not shown.
  • preference can additionally be given to predetermined limit values, for example for smoke, and the time profiles obtained can be optimized until smooth, robust characteristic maps have been created.
  • the simulation environment 31 includes a plurality of blocks 100-105 that relate to different steps of a modeling method for use in a calibration procedure for calibrating the internal combustion engine.
  • the initial specification of the maps takes place.
  • the initial specification of the application data is performed using these maps.
  • a driving cycle is selected, for example the NEDC.
  • the replica of the control unit is selected, for example the NEDC.
  • the actual simulation is done using the gray box model 10 using the outputs of blocks 101-103.
  • the system behavior and the quality measures are recorded using the results from block 104.
  • the assessment of the emission and consumption behavior and the map quality first takes place, in particular using the map smoothness, using the results from the block 105 and then the adjustment of the map values in order to optimize the emission and consumption behavior.
  • the block 101 can be fed in a following iteration.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Modellierungsverfahren zum Modellieren zumindest eines Verbrennungsmotors, vorzugsweise eines Verbrennungsmotors mit einem Fahrzeug, wobei: ein Grey-Box-Modell aus wenigstens einem White-Box-Modell und wenigstens einem Black-Box-Modell gebildet wird, das in das White-Box-Modell eingebettet ist; und als White-Box-Modell Bereiche des Verbrennungsmotors berechnet werden, die eine geringere Dynamik entwickeln als Bereiche, die als Black-Box-Modell berechnet werden.

Description

Modellierungsverfahren und Steuergerät für einen Verbrennungsmotor
Die Erfindung betrifft ein Modellierungsverfahren zum Modellieren zumindest eines Verbrennungsmotors, vorzugsweise eines Verbrennungsmotors mit einem Fahrzeug, so- wie ein Steuergerät für zumindest einen Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs.
Im Stand der Technik sind stationär abgestimmte Kalibrierungen für Verbrennungsmotoren, wie Diesel- und Ottomotoren von PKW und NKW bekannt. Diese sind jedoch für zukünftige Emissionsszenarien, wie beispielsweise die Abgasnorm Euro 6, nicht fahrbar und gegen Fahrzyklusänderungen, Alterung, Verschleiß und Bauteilstreuungen wenig robust. Auch die bisher bekannten Regelungsverfahren und entsprechenden Steuergeräte für diese Verbrennungsmotoren werden den Anforderungen dieser zukünftigen Emissionsszenarien nicht gerecht, da sie eine unzureichende Regelgüte besitzen.
Aus der DE 102 19 797 A1 ist ein Verfahren zur Optimierung eines Modells zur Steuerung einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei das Modell mindestens ein Kennfeld aufweist, das zur Optimierung eines Steuerungs- bzw. Regelungsvorgangs nicht nur verändert, sondern auch geglättet wird. Aus der DE 44 18 731 A1 geht ein Verfahren zur Steuerung bzw. Regelung von Prozessen in einem Kraftfahrzeug hervor, bei dem ein Kennfeld ver- wendet wird, welches mittels Korrekturfaktoren automatisch an ein verändertes Prozessverhalten angepasst wird.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Modellierungsverfahren und ein Steuergerät für einen Verbrennungsmotor zu schaffen, die im Vergleich zu den bekannten Modellierungsverfah- ren und Steuergeräten vor allem hinsichtlich der zukünftigen Emissionsszenarien verbessert sind.
Diese Aufgabe wird durch ein Modellierungsverfahren gemäß Anspruch 1 und durch ein Steuergerät gemäß Anspruch 28 gelöst. Weitere Ausführungsformen sind in den Unteran- Sprüchen beschrieben.
Die Erfindung schlägt ein Modellierungsverfahren zum Modellieren zumindest eines Verbrennungsmotors, vorzugsweise eines Verbrennungsmotors mit einem Fahrzeug, vor, wobei ein Grey-Box-Modell aus wenigstens einem White-Box-Modell und wenigstens ei- nem Black-Box-Modell gebildet wird, das in das White-Box-Modell eingebettet ist; und wobei als White-Box-Modell Bereiche des Verbrennungsmotors berechnet werden, die eine geringere Dynamik entwickeln als Bereiche, die als Black-Box-Modell berechnet werden. Unter Modell wird hier ein Abbild des realen Verhaltens eines Systems mit Hilfe von Software ohne Nutzung von realen Komponenten verstanden. Ein White-Box-Modell beruht bekanntlich auf den grundlegenden physikalischen Beziehungen der Komponenten des Systems und wird daher auch als physikalisches Modell oder analytisches Modell oder strukturelles Modell bezeichnet. Ein Black-Box-Modell beruht hingegen auf den Messwerten des Eingangs- und Ausgangsverhaltens des Systems, ohne dass seine innere physikalische Struktur betrachtet wird, und wird daher auch als mathematisches Modell oder deskriptives Modell oder pragmatisches Modell bezeichnet. Ein Grey-Box-Modell ist eine Form enthaltend White- und Black-Box-Modelle, wobei diese in dem Grey-Box-Modell miteinander verknüpft sind.
Das durch das vorgeschlagene Modellierungsverfahren gebildete Grey-Box-Modell ist ein globales dynamisches Modell und gibt das Systemverhalten des Verbrennungsmotors und gegebenenfalls des den Verbrennungsmotor enthaltenden Fahrzeugs wieder, was mit zunehmendem Detaillierungsgrad des Modells nach Bedarf weiter verbessert werden kann. Die Eigenschaft "global" bedeutet hier, dass wenigstens eine, bevorzugt zwei Zu- standsgrößen wie beispielsweise Drehzahl und/oder Last im Modell verwendet werden und dieses somit vorzugsweise für alle Betriebszustände gültig ist. Das vorgeschlagene Grey-Box-Modell ist physikalisch basiert, da es wenigstens einen höherdynamischen Bereich, wie beispielsweise den Hochdruckprozess, des Verbrennungsmotors stationär im Black-Box-Modell nachbildet und dieses in ein dynamisches White-Box-Modell wenigstens eines anderen niederdynamischen Bereichs, wie beispielsweise des Luftpfades, des Verbrennungsmotors einbettet, das physikalisch aufgebaut ist. Bevorzugt kann das Black- Box-Modell für einen Teil des Gesamtmodells, also des Grey-Box-Modells, eingesetzt werden, für den eine physikalische Modellierung zu aufwendig wäre und/oder der keinen oder nur einen untergeordneten Einfluss auf die Dynamik des Gesamtsystems hat. Die Trennung zwischen White- und Black-Box-Modell kann bevorzugt unter Nutzung charakteristischer Eingangsgrößen und Ausgangsgrößen erfolgen. Diese charakteristischen Ein- gangsgrößen können beispielsweise ein Druck an einem Ein- und/oder Auslassventil und/oder eine Sauerstoffkonzentration an einem Ein- und/oder Auslassventil und/oder eine Temperatur an einem Ein- und/oder Auslassventil und/oder ein Einspritzzeitpunkt und/oder eine Einspritzmenge und/oder ein Einspritzdruck und/oder eine Verbrennungsschwerpunktlage und/oder eine Verbrennungsdauer umfassen. Diese charakteristischen Ausgangsgrößen können beispielsweise einen Druck im Brennraum und/oder ein Drehmoment und/oder eine Abgastemperatur und/oder ein Abgasmassenstrom und/oder eine Abgaszusammensetzung und/oder einen Abgasgegendruck umfassen. Da das durch das vorgeschlagene Modellierungsverfahren gebildete Grey-Box-Modell wenigstens einen niederdynamischen Bereich, wie beispielsweise den Luftpfad, und somit das dynamische Verhalten des Verbrennungsmotors beziehungsweise Fahrzeugs nach- bildet und vorzugsweise für den gesamten Betriebsbereich gültig ist, ist es für die zukünftigen Emissionsszenarien geeignet.
Das vorgeschlagene Modellierungsverfahren bietet den Vorteil, dass die benötigte Prüf- standszeit und die Zeit für Fahrzeuguntersuchungen und somit auch der Aufwand für Messgeräte und Prüfstände auf ein Minimum reduziert werden kann. Es muss lediglich zu Beginn eine Vermessung durchgeführt werden, um das Grey-Box-Modell, insbesondere das Black-Box-Modell, zu erstellen. Nach erfolgter Applikation, die am Schreibtisch durchgeführt werden kann, müssen dann nur noch Verifikationsläufe durchgeführt werden. Außerdem können beliebig viele weitere Varianten gerechnet werden, ohne erneut den Prüfstand benutzen zu müssen, da durch eine Verschiebung von Gewichten oder eine Änderung von Randbedingungen der Optimierungslauf und somit das Ergebnis an- gepasst werden können.
Bei dem vorgeschlagenen Modellierungsverfahren wird die gesamte Dynamik oder der überwiegende Teil der Dynamik des Verbrennungsmotors beziehungsweise Fahrzeugs durch wenigstens einen niederdynamischen Bereich, wie beispielsweise den Luftpfad, vorgegeben. Nach Bedarf können aber noch beliebige andere Eigenschaften und Systeme in das Gesamtmodell eingefügt werden.
Es kann vorgesehen sein, dass die Bereiche, die als White-Box-Modell berechnet werden, einen Luftpfad des Verbrennungsmotors und die Bereiche, die als Black-Box-Modell berechnet werden, einen Hochdruckprozess des Verbrennungsmotors umfassen.
Es kann vorgesehen sein, dass in einem White-Box-Modell eine physikalische Modellie- rung wenigstens eines dynamischen Systems und in einem Black-Box-Modell eine parametrische Modellierung komplexer statischer Zusammenhänge erfolgt.
Die Verteilung von White- und Black-Box-Modellen im Gesamtmodell kann nach Bedarf beliebig erfolgen. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das Grey-Box-Modell ein White-Box-Modell einer Motordynamik und/oder ein White-Box-Modell einer Belastungseinheit umfasst. Die Belastungseinheit kann beispielsweise eine Kurbelwelle, einen Antriebsstrang, Radbremsen, die Fahrbahnbeschaffenheit wie beispielsweise Berg- und Talfahrt, den Wind, eine Bremse eines Prüfstands, die den Motor über den Antriebsstrang und die Kurbelwelle belastet und auch als Belastungseinrichtung bezeichnet wird, oder die im Fahrzeug von den Rädern ausgeübte Belastung umfassen.
Es kann vorgesehen sein, dass das Grey-Box-Modell modular aufgebaut ist. So muss beispielsweise bei einem Tausch des Turboladers oder des Injektors nur das entsprechende Modell und somit lediglich ein kleiner Teil des Gesamtmodells angepasst werden.
Jedes Black-Box-Modell kann auf unterschiedliche Weise erstellt werden, bevorzugt durch statistische Versuchsplanung.
Jedes Black-Box-Modell kann unterschiedliche Eingangs- und Ausgangsgrößen verwenden. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das Black-Box-Modell als Eingangsgrößen wenigstens eine physikalische Größe am Einlassventil und/oder Auslassventil, insbesondere einen Druck und/oder eine Sauerstoffkonzentration und/oder eine Tempera- tur, und/oder wenigstens einen Einspritzparameter, insbesondere einen Einspritzzeitpunkt und/oder eine Einspritzmenge und/oder einen Einspritzdruck, und/oder wenigstens eine Kenngröße der Verbrennung, insbesondere eine Verbrennungsschwerpunktlage und/oder eine Verbrennungsdauer, verwendet. Alternativ oder zusätzlich kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das Black-Box-Modell als Ausgangsgrößen wenigstens einen Druck im Brennraum und/oder ein Drehmoment und/oder eine Abgastemperatur und/oder einen Abgasmassenstrom und/oder eine Abgaszusammensetzung und/oder einen Abgasgegendruck verwendet.
Jedes Black-Box-Modell kann nach einem anderen Prinzip realisiert sein und beispiels- weise wenigstens ein Polynommodell und/oder wenigstens ein neuronales Netz umfassen.
Es kann vorgesehen sein, dass das vorgeschlagene Modellierungsverfahren zum Einsatz in einem Regelungsverfahren zum Regeln des Verbrennungsmotors bestimmt ist, wobei dynamische Sollwertverläufe und Vorsteuerungen derart verwendet werden, dass mit Hilfe des Modellierungsverfahrens wenigstens ein Sollwert und wenigstens ein Vorsteuerwert als zeitliche Verläufe dynamisch vorgegeben werden.
Die Erfindung schlägt außerdem ein Modellierungsverfahren zum Modellieren zumindest eines Verbrennungsmotors vor, das zum Einsatz in einem Regelungsverfahren zum Regeln des Verbrennungsmotors bestimmt ist, wobei dynamische Sollwertverläufe und Vorsteuerungen derart verwendet werden, dass mit Hilfe des Modellierungsverfahrens we- nigstens ein Sollwert und wenigstens ein Vorsteuerwert als zeitliche Verläufe dynamisch vorgegeben werden.
Die dynamischen Sollwertverläufe und Vorsteuerungen können beispielsweise einen er- weiterten Zwei-Freitheitsgrade-Entwurf für wenigstens einen Regler umfassen, der die jeweiligen Soll- und Vorsteuerwerte nicht nur aus Kennfeldern abliest, sondern dynamisch als zeitliche Verläufe oder Trajektorien vorgibt.
Das dynamische Vorgeben der zeitlichen Verläufe kann unterschiedlich erfolgen. So kann das dynamische Vorgeben der zeitlichen Verläufe beispielsweise dadurch erfolgen, dass die zeitlichen Verläufe in wenigstens einem Kennfeld mit wenigstens einer Achse, die der Zeitachse eines bestimmten dynamischen Vorgangs entspricht, hinterlegt sind und bei Erkennen des dynamischen Vorgangs ausgeführt werden. Der dynamische Vorgang kann beispielsweise ein so genanntes "Tip-In" sein. Alternativ oder zusätzlich kann das dyna- mische Vorgeben der zeitlichen Verläufe dadurch erfolgen, dass die zeitlichen Verläufe als wenigstens eine parametrische Funktion mit wenigstens einer Eingangsgröße, die eine Zeitabhängigkeit entsprechend dem dynamischen Vorgang aufweist, hinterlegt sind. Die Parameter der parametrischen Funktion können beispielsweise in betriebspunktabhängigen Kennfeldern hinterlegt sein. Alternativ oder zusätzlich kann das dynamische Vorgeben der zeitlichen Verläufe dadurch erfolgen, dass die zeitlichen Verläufe als wenigstens ein inverses dynamisches Modell der Regelstrecke hinterlegt sind, das für einen Sollverlauf den Vorsteuerverlauf berechnet. Alternativ oder zusätzlich kann das dynamische Vorgehen der zeitlichen Verläufe dadurch erfolgen, dass Korrekturen angewendet werden, die als wenigstens ein Kennfeld hinterlegt sind, das von der Änderungsge- schwindigkeit einer Größe, insbesondere der Einspritzmenge und/oder Drehzahl abhängt.
Gemäß einer Weiterbildung können bei dem Regelungsverfahren direkt Begrenzungen der Eingangsgrößen, beispielsweise ein begrenzter Stellbereich eines Aktuators, und
Ausgangsgrößen, beispielsweise ein Rauchkennfeld, berücksichtigt werden.
Das vorgeschlagene Modellierungsverfahren führt bei dem Regelungsverfahren bevorzugt zu einer Linearisierung des zu regelnden Systems um eine Solltrajektorie herum. Dadurch kann der eigentliche Regler entlastet und mehr in Richtung Störungskompensation ausgelegt werden, da das Folgeverhalten zum größten Teil von der Vorsteuerung übernommen wird. Hierbei stellen Phänomene wie Alterung, Verschleiß und Bauteilstreuung ebenfalls Störungen da und werden somit von dem Regler ausgeregelt. Es kann vorgesehen sein, dass das vorgeschlagene Modellierungsverfahren zum Einsatz in einem Kalibrierungsverfahren zum Kalibrieren des Verbrennungsmotors bestimmt ist, wobei eine Simulationsumgebung verwendet wird, die eine Nachbildung eines, insbesondere des vorgeschlagenen Regelungsverfahrens zum Regeln des Verbrennungsmotors und eine Implementierung eines durch das vorgeschlagene Modellierungsverfahren gebildeten Grey-Box-Modells umfasst. Hierdurch kann die Applikation eines Steuergerätes, welches das Regelungsverfahren umsetzt, sehr effizient und sicher durchgeführt werden.
Die Erfindung schlägt darüber hinaus ein Modellierungsverfahren zum Modellieren zumin- dest eines Verbrennungsmotors vor, das zum Einsatz in einem Kalibrierungsverfahren zum Kalibrieren des Verbrennungsmotors bestimmt ist, wobei eine Simulationsumgebung verwendet wird, die eine Nachbildung eines, insbesondere des vorgeschlagenen Regelungsverfahrens zum Regeln des Verbrennungsmotors und eine Implementierung eines durch das vorαeschlagene Modeüierungsverfahren gebildeten Grey-Box-Modells umfasst.
Die Vorgehensweise zur Applikation eines Test- oder Fahrzyklus kann unterschiedlich gewählt werden. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das vorgeschlagene Modellierungsverfahren zum Einsatz in einem Kalibrierungsverfahren zum Kalibrieren zumindest eines Verbrennungsmotors bestimmt ist, wobei die Schritte vorgesehen sind, dass: a) ein Fahrzyklus gewählt wird, b) dann der gesamte Fahrzyklus mit einer aktuellen Applikation simuliert wird; c) dann die Applikation unter Berücksichtigung von Kennfeldglattheit optimiert wird; d) dann die Optimierung verifiziert wird, so dass bei erfolgreicher Verifikation eine Kalibrierung für den Fahrzyklus erhalten wird.
Der Gesetzgeber schreibt den Fahrzeugherstellern zur Zertifizierung von Abgasemissionen und Kraftstoffverbrauch Fahrzyklen, beispielsweise den NEFZ (Abkürzung für "Neuer Europäischer Fahrzyklus") vor, die nach Fahrzeugtyp und Markt unterschiedlich sind und die Grundlage für die Bestimmung der zertifizierungsrelevanten Abgasemissions- und Kraftstoffverbrauchswerte darstellen. Im Schritt a) kann also als gewünschter Fahrzyklus beispielsweise ein gesetzlicher Fahrzyklus, beispielsweise der NEFZ, nach Bedarf aber auch ein beliebiger anderer Fahrzyklus ausgewählt werden, wie beispielsweise ein Real- Driving-Cycle. Im Schritt b) kann das vorgeschlagene Grey-Box-Modell entsprechend der Last betrieben werden, die sich in dem gewählten Fahrzyklus an einem realen Verbren- nungsmotor ergeben würde. Daraus erhält man Informationen über die Abgasemissionen und den Kraftstoffverbrauch des Systems. Diese Informationen sind abhängig von den gewählten Parametern, die wiederum in Kennfeldern abgelegt sind und über das vorge- schlagene Regelungsverfahren auf das Grey-Box-Modell wirken. Nach Ausführung des Schrittes d) steht eine optimale Kalibrierung für den gewählten Testzyklus zur Verfügung.
Es kann vorgesehen sein, dass nach dem Schritt d) ein anderer Fahrzyklus gewählt wird und dann die Schritte b) bis d) ausgeführt werden. Dann kann aus den Kalibrierungen der Fahrzeugzyklen ein, bevorzugt gewichteter Mittelwert gebildet werden. Durch diese Wahl unterschiedlicher Fahrzyklen, die bevorzugt wenigstens einen gesetzlichen Fahrzyklus, beispielsweise den NEFZ, und wenigstens einen anderen Fahrzyklus, beispielsweise einen Real-Driving-Cycle, umfassen, kann die Robustheit und/oder die Fahrbarkeit der Ka- librierung für den Alltagsbetrieb erhöht werden. Vorzugsweise kann aus den für die jeweiligen Fahrzyklen optimalen Kalibrierungen ein gewichteter Mittelwert gebildet werden, wobei bevorzugt den gesetzlichen Fahrzyklen höhere Gewichte zugeordnet sind als den anderen Fahrzyklen.
Die Optimierung im Schritt c) kann unterschiedlich erfolgen, beispielsweise dadurch, dass: die Güte der Applikation dadurch ermittelt wird, dass wenigstens ein Emissionsverlauf analysiert und/oder wenigstens eine integrale Emission über den Fahrzyklus berechnet wird; und die Einträge in den Kennfeldern zur Minimierung der Emissionen und/oder der Kennfeldglattheit der Kennfelder angepasst werden.
Das Anpassen der Einträge in den Kennfeldern kann bevorzugt manuell und/oder automatisch erfolgen. Um die Fahrbarkeit zu gewährleisten, sollen dabei Sprünge oder steile Gradienten in den Kennfeldern vermieden werden. Hierzu kann ein Wert oder Maß die- nen, der die Glattheit eines Kennfeldes universell bewertet und der vorzugsweise ebenfalls minimiert werden kann.
Dieser Wert oder Maß für die Kennfeldglattheit kann beispielsweise ein gewichtetes Integral über die Quadrate der ersten und zweiten Ableitungen des Kennfelds in Richtung der beiden Stützstellen sein. Die erste Ableitung ist ein Maß für die Steigung im Kennfeld, die zweite Ableitung ein Maß für die Krümmung des Kennfelds. Zur Sicherung der Vergleichbarkeit zweier Kennfelder können sowohl die Stützstellen als auch die Kennfeldwerte in den Bereich zwischen 0 und 1 skaliert werden. Die Kennfeldglattheit kann bevorzugt mit der folgenden Gleichung definiert werden:
c, Glaube .n-J ' *,1 dy + γ x,2 ZL ■dx
Figure imgf000009_0001
dx2
Figure imgf000009_0002
Die Parameter γ erlauben eine Gewichtung in Abhängigkeit von der Richtung und der Ordnung der Ableitung. Da Kennfelder in der Regel als Datensatz mit Wertepaaren, die aus einer Stützstellenposition hinsichtlich Last und Drehzahl sowie aus einem Kennfeldwert gebildet sind, vorliegen, lässt sich das Integral nach Bedarf auch in eine Summe ü- berführen.
Es kann vorgesehen sein, dass eine Verifizierung im Schritt d) direkt am Verbrennungsmotor und/oder an einem den Verbrennungsmotor umfassenden Fahrzeug erfolgt.
Es kann vorgesehen sein, dass nach dem Schritt d) die Applikation geändert wird und dann die Schritte b) bis d) ausgeführt werden. Dies kann beispielsweise dann erfolgen, wenn die Verifikation nicht erfolgreich war.
Die Erfindung schlägt des Weiteren ein Regelungsverfahren zum Regeln zumindest eines Verbrennungsmotors vor, wobei dynamische Sollwertverläufe und Vorsteuerungen derart verwendet werden, dass mit Hilfe eines, insbesondere des vorgeschlagenen Modellierungsverfahrens zum Modellieren des Verbrennungsmotors wenigstens ein Sollwert und wenigstens ein Vorsteuerwert als zeitliche Verläufe dynamisch vorgegeben werden.
Es kann vorgesehen sein, dass das dynamische Vorgeben der zeitlichen Verläufe dadurch erfolgt, dass: die zeitlichen Verläufe in wenigstens einem Kennfeld mit wenigstens einer Achse, die der Zeitachse eines bestimmten dynamischen Vorgangs entspricht, hinterlegt sind und bei Erkennen des dynamischen Vorgangs ausgeführt werden; und/oder - die zeitlichen Verläufe als wenigstens eine parametrische Funktion mit wenigstens einer Eingangsgröße, die eine Zeitabhängigkeit entsprechend dem dynamischen Vorgang aufweist, hinterlegt sind; und/oder die zeitlichen Verläufe als wenigstens ein inverses dynamisches Modell der Regelstrecke hinterlegt sind, das für einen Sollverlauf den Vorsteuerverlauf berechnet; und/oder
Korrekturen angewendet werden, die als wenigstens ein Kennfeld hinterlegt sind, das von der Änderungsgeschwindigkeit einer Größe, insbesondere der Einspritzmenge und/oder Drehzahl abhängt.
Die Erfindung schlägt zudem ein Kalibrierungsverfahren zum Kalibrieren zumindest eines Verbrennungsmotors vor, wobei eine Simulationsumgebung verwendet wird, die eine Nachbildung eines, insbesondere des vorgeschlagenen Regelungsverfahrens zum Regeln des Verbrennungsmotors und eine Implementierung eines durch ein, insbesondere das vorgeschlagene Modellierungsverfahren zum Modellieren des Verbrennungsmotors gebildeten Grey-Box-Modells umfasst.
Es kann vorgesehen sein, dass bei dem vorgeschlagenen Kalibrierungsverfahren die Schritte vorgesehen sind, dass: a) ein Fahrzyklus gewählt wird, b) dann der gesamte Fahrzyklus mit einer aktuellen Applikation simuliert wird; c) dann die Applikation unter Berücksichtigung von Kennfeldglattheit optimiert wird; d) dann die Optimierung verifiziert wird, so dass bei erfolgreicher Verifikation eine Ka- librierung für den Fahrzyklus erhalten wird.
Es kann vorgesehen sein, dass nach dem Schritt d) ein anderer Fahrzyklus gewählt wird und dann die Schritte b) bis d) ausgeführt werden.
Es kann vorgesehen sein, dass aus den Kalibrierungen der Fahrzyklen ein, bevorzugt gewichteter, Mittelwert gebildet wird.
Es kann vorgesehen sein, dass die Optimierung im Schritt c) dadurch erfolgt, dass: die Güte der Applikation dadurch ermittelt wird, dass wenigstens ein Emissionsver- lauf analysiert und/oder wenigstens eine integrale Emission über den Fahrzyklus berechnet wird; und die Einträge in den Kennfeldern zur Minimierung der Emissionen und/oder der Kennfeldglattheit der Kennfelder angepasst werden.
Es kann vorgesehen sein, dass die Verifizierung im Schritt d) direkt am Verbrennungsmotor und/oder an einem den Verbrennungsmotor umfassenden Fahrzeug erfolgt.
Es kann vorgesehen sein, dass nach dem Schritt d) die Applikation geändert wird und dann die Schritte b) bis d) ausgeführt werden.
Die Erfindung .schlägt außerdem ein Steuergerät für zumindest einen Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs vor, wobei das Steuergerät eine Vorkalibrierung eines dynamischen Verhaltens des Verbrennungsmotors implementiert aufweist; wobei die Vorkalibrierung Ergebnisse einer Simulation eines Grey-Box-Modells des Verbrennungsmotors enthält, bei der wenigstens ein Bereich des Verbrennungsmotors als Black-Box-Modell und wenigstens ein anderer Bereich des Verbrennungsmotors als White-Box-Modell enthalten ist; und wobei der als White-Box-Modell enthaltene Bereich eine geringere Dynamik entwickelt als der als Black-Box-Modell enthaltene Bereich. Es kann vorgesehen sein, dass ein Verbrennungsprozess in einem Zylinder als Black- Box-Modell und ein Luftpfad des Verbrennungsmotors als White-Box-Modell enthalten ist.
Es kann vorgesehen sein, dass die Vorkalibrierung mit einer Adaption zur Anpassung von Daten während des Betriebs des Verbrennungsmotors versehen ist.
Es kann vorgesehen sein, dass die Vorkalibrierung mit einem On-Board-Diagnosesystem des Fahrzeugs verknüpft ist und dortige Daten durch die Vorkalibrierung hinterlegt worden sind.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen werden anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert werden. Die daraus hervorgehenden einzelnen Merkmale sind jedoch nicht auf die einzelnen Ausführungsformen beschränkt, sondern können mit weiter unten beschriebenen einzelnen Merkmalen oder mit einzelnen Merkmalen anderer Ausfüh- rungsformen zu weiteren Ausführungsformen verbunden werden. Es zeigen:
Fig. 1 : ein schematisches Diagramm eines Grey-Box-Modells, das in einem Modellierungsverfahren zum Modellieren eines Kraftfahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor verwendet wird; Fig. 2: eine schematische Darstellung eines Zylinders des Verbrennungsmotors zur Erläuterung des darin ablaufenden Hochdruckprozesses, der in dem Black- Box-Modell des Grey-Box-Modells der Fig. 1 nachgebildet wird; und
Fig. 3: ein schematisches Diagramm einer Simulationsumgebung, mit deren Hilfe der
Verbrennungsmotor kalibriert werden kann.
In der Fig. 1 ist ein Grey-Box-Modell 10 in einer bevorzugten Ausführungsform gezeigt, das ein nicht dargestelltes Kraftfahrzeug mit einem nicht dargestellten Verbrennungsmotor nachbildet. Es weist mehrere White-Box-Modelle 11 , 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 für unterschiedliche Teilsysteme des Luftpfads des Verbrennungsmotors, ein White-Box- Modell 20 der Motordynamik des Verbrennungsmotors, ein White-Box-Modell 21 des nicht dargestellten Antriebsstrangs des Fahrzeugs sowie ein Black-Box-Modell 22 des weiter unten näher erläuterten Hochdruckprozesses des Verbrennungsmotors auf.
Das White-Box-Modell 11 ist der Umgebung des Verbrennungsmotors zugeordnet. Die White-Box-Modelle 12-14 sind jeweils wenigstens einem Verdichter, wenigstens einer Massenträgheit und wenigstens einer Turbine wenigstens eines nicht dargestellten Abgasturboladers des Verbrennungsmotors zugeordnet. Die White-Box-Modelle 15-17 sind jeweils wenigstens einem Zumischventil, wenigstens einem Kühler und wenigstens einem Abzweigventil wenigstens einer nicht dargestellten externen Abgasrückführung des Verbrennungsmotors zugeordnet. Falls zwei oder mehr Verdichter vorhanden sein sollten, so kann wenigstens zweien dieser Verdichter ein gemeinsames White-Box-Modell 12 und/oder wenigstens einem dieser Verdichter jeweils ein eigenes White-Box-Modell 12 zugeordnet sein. Dies gilt entsprechend auch für zwei oder mehr Massenträgheiten, Turbinen, Zumischventile, Kühler und/oder Abzweigventile. Falls zwei oder mehr Abgasturbolader vorhanden sein sollten, so können wenigstens zwei dieser Abgasturbolader seriell und/oder wenigstens zwei andere dieser Abgasturbolader parallel angeordnet sein. Falls zwei oder mehr Abgasrückführungen vorhanden sein sollten, so können wenigstens zwei dieser Abgasrückführungen auf gleichen und/oder wenigstens zwei andere dieser Abgasrückführungen auf unterschiedlichen Druckniveaus, wie beispielsweise vor oder nach einem Abgasturbolader oder zwischen seriellen Abgasturboladern, angeordnet sein. Die White-Box-Modelle 18, 19 sind einem Saugrohr 23 - vgl. Fig. 2 - beziehungsweise einem nicht dargestellten Abgassammier 24 - vgl. Fig. 2 - des Verbrennungsmotors zugeordnet.
Somit sind die für eine dynamische Kalibrierung relevanten Motor- und Fahrzeugkomponenten und -teilsysteme in den White-Box-Modellen 11-21 und der Verbrennungsprozess, der im Vergleich zu dem Luftpfad extrem schnell abläuft und daher für die Dynamik irrelevant ist, in dem Black-Box-Modell 22 modular nachgebildet. Das Black-Box-Modell 22 wurde hier mit Hilfe der in der Applikation üblichen, allerdings um eine Messung der relevanten physikalischen Eingangs- und Ausgangsgrößen ergänzten Motorprüfstandexperimente gebildet.
In der Fig. 2 ist ein Zylinder 25 des Verbrennungsmotors gezeigt, der das Saugrohr 23, den Abgassammler 24, ein Einlassventil 26, einen Brennraum 27, einen Kolben 28, eine Pleuelstange 29 und ein Auslassventil 30 aufweist. Die im Black-Box-Modell 22 verwendeten charakteristischen Eingangsgrößen umfassen hier den Druck, die Sauerstoffkonzentration und die Temperatur im Saugrohr 23 am Einlassventil 26 sowie den Einspritzzeitpunkt, die Einspritzmenge und den Einspritzdruck eines nicht dargestellten, in den Brennraum 27 ragenden Injektors. Die im Black-Box-Modell 22 verwendeten charakteristischen Ausgangsgrößen umfassen hier den Verbrennungsdruck und den indizierten Mitteldruck im Brennraum 27, das über die Pleuelstange 29 abgegriffene Drehmoment sowie die Abgastemperatur, den Abgasmassenstrom, die Abgaszusammensetzung und den
Abgasgegendruck im Abgassammler 24.
In der Fig. 3 ist eine Simulationsumgebung 31 gezeigt, die für die Kalibrierung und Applikation des Verbrennungsmotors verwendet werden kann. Sobald das Grey-Box-Modell 10, beispielsweise wie weiter oben beschrieben, erstellt ist, kann die Kalibrierung mit Hilfe dynamischer Fahrvorgänge erfolgen, die beispielsweise einfache Beschleunigungs- und Verzögerungsfahrten und/oder komplexe Fahrzyklen wie den NEFZ umfassen können. Dabei werden für die Kalibrierung relevante, dynamische Parameter, wie beispielsweise Abgasemissionen, Kraftstoffverbrauch, Ruckein oder Geräusche, ermittelt und durch Optimierungsläufe verbessert. In den Optimierungsläufen werden Steuer und/oder Regelparameter der Applikation angepasst und als dynamische Verläufe über der Zeit, die beispielsweise Einspritzzeitpunkt-, Zündzeitpunkt- und/oder Einspritzmengenverläufe umfassen können, in einem nicht dargestellten Steuergerät abgelegt. Dabei kann bevorzugt zusätzlich auf vorgegebene Grenzwerte, beispielsweise für Rauch, geachtet und die erhaltenen Zeitverläufe so lange optimiert werden, bis glatte, robuste Kennfelder entstanden sind.
Die Simulationsumgebung 31 umfasst mehrere Blöcke 100-105, die unterschiedliche Schritte eines Modellierungsverfahrens zum Einsatz in einem Kalibrierungsverfahren zum Kalibieren des Verbrennungsmotors betreffen. Im Block 100 erfolgt die anfängliche Vorgabe der Kennfelder. Im Block 101 erfolgt die anfängliche Vorgabe der Applikationsdaten unter Verwendung dieser Kennfelder. Im Block 102 wird ein Fahrzyklus gewählt, beispielsweise der NEFZ. Im Block 103 erfolgt die Nachbildung des Steuergeräts. Im Block 104 erfolgt die eigentliche Simulation mit Hilfe des Grey-Box-Modells 10 unter Verwendung der Ausgaben der Blöcke 101-103. Im Block 105 erfolgt die Erfassung des Systemverhaltens und der Gütemaße unter Verwendung der Ergebnisse aus dem Block 104. Im Block 100 erfolgt zunächst die Beurteilung des Emissions- und Verbrauchsverhaltens und der Kennfeldgüte, insbesondere anhand der Kennfeldglattheit, unter Verwendung der Er- gebnisse aus dem Block 105 und dann die Anpassung der Kennfeldwerte zwecks Optimierung des Emissions- und Verbrauchsverhaltens. Mit den derart vorgegebenen Kennfeldern kann in einer folgenden Iteration der Block 101 gespeist werden.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Modellierungsverfahren zum Modellieren zumindest eines Verbrennungsmotors, vorzugsweise eines Verbrennungsmotors mit einem Fahrzeug, wobei:
- ein Grey-Box-Modell (10) aus wenigstens einem White-Box-Modell (11-19) und we- nigstens einem Black-Box-Modell (22) gebildet wird, das in das White-Box-Modell
(11-19) eingebettet ist; und
- als White-Box-Modell (11-19) Bereiche des Verbrennungsmotors berechnet werden, die eine geringere Dynamik entwickeln als Bereiche, die als Black-Box-Modell (22) berechnet werden.
2. Modellierungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bereiche, die als White-Box-Model! (11-19) berechnet werden, ©inen Luftpfad des Verbrennungsmotors und die Bereiche, die als Black-Box-Modell (22) berechnet werden, einen Hochdruckprozess des Verbrennungsmotors umfassen.
3. Modellierungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in ei- nem White-Box-Modell (11-19) eine physikalische Modellierung wenigstens eines dynamischen Systems und in einem Black-Box-Modell (22) eine parametrische Modellierung komplexer statischer Zusammenhänge erfolgt.
4. Modellierungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Grey-Box-Modell (10) ein White-Box-Modell (20) einer Motordynamik und/oder ein White- Box-Modell (21) einer Belastungseinheit umfasst.
5. Modellierungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Grey-Box-Modell (10) modular aufgebaut ist.
6. Modellierungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Black-Box-Modell (22) durch statistische Versuchsplanung erstellt wird.
7. Modellierungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Black-Box-Modell (22) als Eingangsgrößen wenigstens eine physikalische Größe an einem Einlassventil (26) und/oder Auslassventil (30) und/oder wenigstens einen Einspritzparameter und/oder wenigstens eine Kenngröße der Verbrennung verwendet.
8. Modellierungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Black-Box-Modell (22) als Ausgangsgrößen wenigstens einen Druck im Brennraum (27) und/oder ein Drehmoment und/oder eine Abgastemperatur und/oder einen Abgasmassenstrom und/oder eine Abgaszusammensetzung und/oder einen Abgasgegendruck verwendet.
9. Modellierungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Black-Box-Modell (22) wenigstens ein Polynommodell und/oder wenigstens ein neuronales Netz umfasst.
10. Modellierungsverfahren, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zum Modellieren zumindest eines Verbrennungsmotors, das zum Einsatz in einem Rege- lungsverfahren zum Regeln des Verbrennungsmotors bestimmt ist, wobei dynamische Sollwertverläufe und Vorsteuerungen derart verwendet werden, dass mit Hilfe des Modellierungsverfahrens wenigstens ein Sollwert und wenigstens ein Vorsteuerwert als zeitliche Verläufe dynamisch vorgegeben werden.
11. Modellierungsverfahren nach Anspruch 10, wobei das dynamische Vorgeben der zeitlichen Verläufe dadurch erfolgt, dass:
- die zeitlichen Verläufe in wenigstens einem Kennfeld mit wenigstens einer Achse, die der Zeitachse eines bestimmten dynamischen Vorgangs entspricht, hinterlegt sind und bei Erkennen des dynamischen Vorgangs ausgeführt werden; und/oder die zeitlichen Verläufe als wenigstens eine parametrische Funktion mit wenigstens einer Eingangsgröße, die eine Zeitabhängigkeit entsprechend dem dynamischen
Vorgang aufweist, hinterlegt sind; und/oder
- die zeitlichen Verläufe als wenigstens ein inverses dynamisches Modell der Regelstrecke hinterlegt sind, das für einen Sollverlauf den Vorsteuerverlauf berechnet; und/oder - Korrekturen angewendet werden, die als wenigstens ein Kennfeld hinterlegt sind, das von der Änderungsgeschwindigkeit einer Größe, insbesondere der Einspritzmenge und/oder Drehzahl abhängt.
12. Modellierungsverfahren, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zum Modellieren zumindest eines Verbrennungsmotors, das zum Einsatz in einem Kalib- rierungsverfahren zum Kalibrieren des Verbrennungsmotors bestimmt ist, wobei eine Simulationsumgebung (31) verwendet wird, die eine Nachbildung eines Regelungsverfahrens, insbesondere nach Anspruch 19 oder 20, zum Regeln des Verbrennungsmotors und eine Implementierung eines durch das Modellierungsverfahren gebildeten Grey-Box- Modells (10) umfasst.
13. Modellierungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das zum Einsatz in einem Kalibrierungsverfahren zum Kalibieren zumindest eines Verbrennungsmo- tors bestimmt ist, mit den Schritten, dass: a) ein Fahrzyklus gewählt wird; b) dann der gesamte Fahrzyklus mit einer aktuellen Applikation simuliert wird; c) dann die Applikation unter Berücksichtigung von Kennfeldglattheit optimiert wird; d) dann die Optimierung verifiziert wird, so dass bei erfolgreicher Verifikation eine Ka- librierung für den Fahrzyklus erhalten wird.
14. Modellierungsverfahren nach Anspruch 13, wobei nach dem Schritt d) ein anderer Fahrzyklus gewählt wird und dann die Schritte b) bis d) ausgeführt werden.
15. Modellierungsverfahren nach Anspruch 14, wobei aus den Kalibrierungen der Fahrzyklen ein, bevorzugt gewichteter, Mittelwert gebildet wird.
16. Modellierungsverfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei eine Optimierung im Schritt c) dadurch erfolgt, dass:
- die Güte der Applikation dadurch ermittelt wird, dass wenigstens ein Emissionsverlauf analysiert und/oder wenigstens eine integrale Emission über den Fahrzyklus berechnet wird; und - die Einträge in den Kennfeldern zur Minimierung der Emissionen und/oder der Kennfeldglattheit der Kennfelder angepasst werden.
17. Modellierungsverfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei eine Verifizierung im Schritt d) direkt am Verbrennungsmotor und/oder an einem den Verbrennungsmotor umfassenden Fahrzeug erfolgt.
18. Modellierungsverfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei nach dem
Schritt d) die Applikation geändert wird und dann die Schritte b) bis d) ausgeführt werden.
19. Regelungsverfahren zum Regeln zumindest eines Verbrennungsmotors, wobei dynamische Sollwertverläufe und Vorsteuerungen derart verwendet werden, dass mithilfe eines Modellierungsverfahrens, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, zum Modellieren des Verbrennungsmotors wenigstens ein Sollwert und wenigstens ein Vorsteuerwert als zeitliche Verläufe dynamisch vorgegeben werden.
20. Regelungsverfahren nach Anspruch 19, wobei das dynamische Vorgeben der zeitlichen Verläufe dadurch erfolgt, dass:
- die zeitlichen Verläufe in wenigstens einem Kennfeld mit wenigstens einer Achse, die der Zeitachse eines bestimmten dynamischen Vorgangs entspricht, hinterlegt sind und bei Erkennen des dynamischen Vorgangs ausgeführt werden; und/oder
- die zeitlichen Verläufe als wenigstens eine parametrische Funktion mit wenigstens einer Eingangsgröße, die eine Zeitabhängigkeit entsprechend dem dynamischen Vorgang aufweist, hinterlegt sind; und/oder
- die zeitlichen Verläufe als wenigstens ein inverses dynamisches Modell der Regel- strecke hinterlegt sind, das für einen Sollverlauf den Vorsteuerverlauf berechnet; und/oder
- Korrekturen angewendet werden, die als wenigstens ein Kennfeld hinterlegt sind, das von der Änderungsgeschwindigkeit einer Größe, insbesondere der Einεpritz- menge und/oder Drehzahl abhängt.
21. Kalibrierungsverfahren zum Kalibrieren zumindest eines Verbrennungsmotors, wobei eine Simulationsumgebung (31) verwendet wird, die eine Nachbildung eines Regelungsverfahrens, insbesondere nach Anspruch 19 oder 20, zum Regeln des Verbrennungsmotors und eine Implementierung eines durch ein Modellierungsverfahren, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zum Modellieren des Verbren- nungsmotors gebildeten Grey-Box-Modells umfasst.
22. Kalibrierungsverfahren nach Anspruch 21 , mit den Schritten, dass: a) ein Fahrzyklus gewählt wird; b) dann der gesamte Fahrzyklus mit einer aktuellen Applikation simuliert wird; c) dann die Applikation unter Berücksichtigung von Kennfeldglattheit optimiert wird; d) dann die Optimierung verifiziert wird, so dass bei erfolgreicher Verifikation eine Kalibrierung für den Fahrzyklus erhalten wird.
23. Kalibrierungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei nach dem Schritt d) ein anderer Fahrzyklus gewählt wird und dann die Schritte b) bis d) ausgeführt werden.
24. Kalibrierungsverfahren nach Anspruch 23, wobei aus den Kalibrierungen der Fahrzyklen ein, bevorzugt gewichteter, Mittelwert gebildet wird.
25. Kalibrierungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Op- timierung im Schritt c) dadurch erfolgt, dass:
- die Güte der Applikation dadurch ermittelt wird, dass wenigstens ein Emissionsverlauf analysiert und/oder wenigstens eine integrale Emission über den Fahrzyklus berechnet wird; und - die Einträge in den Kennfeldern zur Minimierung der Emissionen und/oder der Kennfeldglattheit der Kennfelder angepasst werden.
26. Kalibrierungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verifizierung im Schritt d) direkt am Verbrennungsmotor und/oder an einem den Verbrennungsmotor umfassenden Fahrzeug erfolgt.
27. Kalibrierungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei nach dem Schritt d) die Applikation geändert wird und dann die Schritte b) bis d) ausgeführt werden.
28. Steuergerät für zumindest einen Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs, wobei:
- das Steuergerät eine Vorkalibrierung eines dynamischen Verhaltens des Verbren- nungsmotors implementiert aufweist;
- die Vorkalibrierung Ergebnisse ejner Simulation eines Grey-Box-Modells (10) des Verbrennungsmotors enthält, bei der wenigstens ein Bereich des Verbrennungsmotors als Black-Box-Modell (22) und wenigstens ein anderer Bereich des Verbrennungsmotors als White-Box-Modell (11-19) enthalten ist; und - der als White-Box-Modell (11-19) enthaltene Bereich eine geringere Dynamik entwickelt als der als Black-Box-Modell (22) enthaltene Bereich.
29. Steuergerät nach Anspruch 28, wobei ein Verbrennungsprozess in einem Zylinder als Black-Box-Modell (22) und ein Luftpfad des Verbrennungsmotors als White-Box- Modell (11-19) enthalten ist.
30. Steuergerät nach einem der Ansprüche 28 oder 29, wobei die Vorkalibrierung mit einer Adaption zur Anpassung von Daten während des Betriebs des Verbrennungsmotors versehen ist.
31. Steuergerät nach einem der Ansprüche 28 bis 30, wobei die Vorkalibrierung mit einem On-Board-Diagnosesystem des Fahrzeugs verknüpft ist und dortige Daten durch die Vorkalibrierung hinterlegt worden sind. 1/3
FIG.1
10
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FIG. 2
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FIG. 3
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