WO2015144704A1 - Model-based pilot control for controlling the combustion rate - Google Patents

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WO2015144704A1
WO2015144704A1 PCT/EP2015/056256 EP2015056256W WO2015144704A1 WO 2015144704 A1 WO2015144704 A1 WO 2015144704A1 EP 2015056256 W EP2015056256 W EP 2015056256W WO 2015144704 A1 WO2015144704 A1 WO 2015144704A1
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pressure
control
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Thorsten Schnorbus
Christian JÖRG
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Fev Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method for operating an internal combustion engine having a real-time capable pilot control of an injection profile and to a control device of an internal combustion engine having a real-time-based pilot control of an injection profile.
  • the precontrol is implemented as a model-based pilot control algorithm for diesel engine combustion rate control by intermittent multiple injection (also sometimes referred to as digital multiple injection) in a control unit.
  • intermittent multiple injection also sometimes referred to as digital multiple injection
  • the diesel engine combustion can be optimized by implementing a predetermined cylinder pressure curve or a given combustion rate over the entire work cycle in the form of a combustion rate control with regard to pollutant emissions, fuel consumption and noise behavior.
  • the combustion rate control has hitherto only been realized by a controller in the form of an iteratively learning feedback controller (ILR) on the basis of a previously completely recorded cylinder pressure curve.
  • ILR iteratively learning feedback controller
  • a predetermined combustion rate can be adjusted by means of digital multiple injection as a manipulated variable in a stationary engine operation.
  • the controller does not work fast enough that this existing approach for real-time use can also be used, for example, in transient engine operation.
  • the invention thus relates to a feedforward control or a method for pilot control of the injection profile for an internal combustion engine in order to be able to realize defined target combustion rates.
  • a feedforward control is in addition to a regulation in order to accelerate the regulation in terms of their convergence behavior, which is the motivation for the development of a feedforward control is given.
  • the regulation here the combustion rate control, is therefore not a mandatory part of the invention.
  • a model-based method for the holistic prediction of a digital fuel injection profile under operating point-dependent predefinition of a nominal combustion curve over the entire operating cycle of an internal combustion engine is proposed. This results in preferably two basic fields of application: i. Use for real-time capable, model-based pilot control of the injection profile to optimize subsequent combustion rate control by digital multiple injection even in transient engine operation and ii. Design or offline calibration of a fuel injection strategy for map-based feedforward control of the injection profile to realize the
  • the target combustion rate can be predetermined, for example on the basis of the specification required by the driver, for example due to gas and / or brake confirmation via a control unit, in particular via an engine control unit.
  • the control unit may, for example, have the desired combustion rate stored or ascertain on the basis of the driver's requirement and then allocate the pilot control.
  • an injection profile comprising the number, times, quantities and rail pressure of the injections is calculated as a function of the current engine operating point, thus enabling real-time use of the principle of combustion rate control even in transient engine operation.
  • a possible example of an applicable combustion rate control in the context of the disclosure of this invention reference is made to the combustion rate control, as is apparent from the already mentioned DE 10 2007 012 604 A1. whose content is hereby made the disclosure content of the present application.
  • the feedforward control offers the possibility of accelerating the control process of the preferably ILR or other controller, or of completely bypassing it or avoiding it in particular in transient engine operation.
  • the acceleration of the adjustment process is achieved in that the precontrol calculates an injection profile in advance, which at least approximately results in the current combustion rate corresponding to a desired combustion rate.
  • the combustion rate control using the ILR alone was not yet possible in transient engine operation. Due to the pilot control, the combustion rate control is now also possible in transient engine operation and thus for real vehicle use. In particular, the prediction of an entire injection profile is made possible starting from a predetermined target combustion rate.
  • the method with the precontrol transfers the injection profile to the combustion rate control, wherein in the transient operating range, the combustion rate control operates on a real-time basis.
  • the feedforward control operates in the transient operating range based on real time, wherein the injection profile determined by the latter is implemented directly by means of an injection device, possibly bypassing a control, in particular the combustion rate control.
  • a further development provides that the pilot control iteratively calculates a pressure curve in a cylinder of the internal combustion engine, wherein the pressure curve is calculated by means of three sections comprising a polytropic compression, a pressure increase, preferably a constant pressure increase and a polytropic expansion.
  • a pressure increase preferably a constant pressure increase and a polytropic expansion.
  • operating point-dependent an optimum pressure increase is selected for the synthetic pressure curve.
  • the predetermined pressure increase does not necessarily have to be constant.
  • pressure increases For example, one or more variable pressure increases only in sections. For this purpose, further details are given below.
  • a control unit of an internal combustion engine having a real-time based iterative pilot control of an injection profile is proposed by means of a model-based combustion process model, wherein the combustion process model is at least one fuel injector model and / or an ignition delay time model and / or a combustion heat release model.
  • an ignition delay model, a fuel injector model, a combustion heat release model and / or a continuous combustion model can be designed as a black box, have one or more neural networks, include a phenomenological approach or be designed as a whitebox For example, as a physical and / or chemical model, and / or have a mixed approach or designed as a gray box.
  • the control unit is coupled to other control units of the internal combustion engine, wherein a combustion rate control is deposited, upstream of the pilot control. It is preferred if the feedforward control is implemented in the control unit, while in another control unit of the internal combustion engine, a combustion rate control is implemented, wherein both control units are coupled to each other for the exchange of data from the pilot control for combustion rate control. Furthermore, it is preferred in this as well as in other proposed embodiments, when the feedforward control is implemented as a model-based pilot control algorithm for diesel engine combustion rate control by digital multiple injection in the control unit.
  • an injection profile comprising the number, times, quantities and rail pressure of the injections is calculated as a function of the current engine operating point, thus enabling a real-time use of the principle of combustion rate control even in transient engine operation.
  • the pre-control algorithm may be capable of generating a digital injection profile that results in a predetermined engine operating point-dependent combustion rate.
  • the combustion process is modeled a priori.
  • the knowledge about the injection profile is required.
  • the injection profile is just the desired target size. Therefore, an iteration with respect to the calculation of the sought injection profile is used.
  • the quality of the calculated injection profile with regard to the target combustion rate achieved depends largely on the accuracy of the engine model describing the fuel injection.
  • This model is therefore preferably composed of at least one fuel injector model, an ignition delay time model and a combustion heat release model.
  • an adjustment of the rail pressure can also be taken into account.
  • the predetermined nominal combustion curve can generally only be approximated by the adaptation of the injection profile, the rail pressure already being preset.
  • a sole optimization of the start, duration and number of individual injections may not lead to a sufficient approximation to the nominal combustion curve.
  • an additional adaptation of the rail pressure may lead to a further approximation to the nominal combustion curve.
  • a further iteration level can be inserted, which leads to an optimization of the operating point-dependent rail pressure.
  • all the variabilities of the injection path i. E. the high pressure fuel injection by the high pressure fuel pump (rail pressure) and the fuel injection by the injectors are used by the pilot control algorithm.
  • the pre-control quality depends to a great extent on the parameterization, ie. from finding suitable values of possible adjustment quantities of the precontrol; Possible parameters / settings are z.
  • An adaptive parameterization should be considered.
  • the parameterization indicated by the existing cylinder pressure, can initially be carried out for different engine configurations, for example an initialization of the initial individual injection quantities in steady state operation with the aid of the iterative learning feedback controller (ILR), but also adapt depending on the engine state, for example a detection of fuel variations and adaptation of parameters in the ignition delay model.
  • ILR iterative learning feedback controller
  • the feedforward control can also be used in offline mode for the pre-optimization of a map-based injection characteristic.
  • the algorithm can also calculate ECU maps for the injection parameters, including injection times, quantities, number of injections, and rail pressure. This option is particularly useful if on-line operation of the pre-control algorithm is not possible due to ECU-side limitations of the computing capacity.
  • the cylinder pressure indexing which is already available for this when using an ILR, for example, can be used to detect one or more disturbances of the work process.
  • Disturbance variables of the working process may include, for example, fuel variances, component tolerances / wear or aging influences as well as environmental influences. The influence of these disturbance variables can be taken into account for the purpose of compensation by a corresponding adaptation of the parameterization of the pilot control algorithm. This will be clarified below with reference to two examples.
  • Example 1 A detection of a changed ignition delay, for example due to a fuel variance, leads inversely to a change in the Cetane number, resulting in an adjustment of the parameter "cetane number" in the ignition delay model.
  • Example 2 A detection of a changed energy input into the combustion chamber, for example by a fuel variance or by a deposit in the injection nozzles, has an effect on the flow coefficient of the injection nozzle and on the calorific value or the density of the fuel. From this follows an adaptation of the parameter "flow coefficient" in the injector model as well as an adjustment of the parameters "fuel density” and "lower calorific value” in the heat release model.
  • the combustion process is ultimately a synthetic cylinder pressure curve as a target size in the pre-control algorithm.
  • the desired course of the temperature can be synthesized accordingly, for example in order to avoid the formation of NO x formation, which occurs particularly in certain temperature ranges (in particular high temperatures); These temperature ranges should be avoided by a corresponding desired temperature profile is specified. As a result, compliance with predefinable NOx limit values can be monitored.
  • an estimation of the combustion noise can also be carried out according to an embodiment of the invention. This can be done, for example, with the aid of a Föller analysis of the cylinder pressure curve, as described for example in the article "A method for analyzing and predicting the combustion noise of gasoline engines", MTZ October 2001, Vol .62, Issue 10, pp.774-782 and of the thesis at the RWTH Aachen with the title "combustion noise of the direct injection reciprocating engine", Stefan Heuer, downloadable under darwin.bth.rwth-aachen.de/opus/volltexte/2001/247/.../ your _Stef. df, which is referred to in the context of the disclosure.
  • the estimation of the combustion noise can therefore be considered as an additional Lich criterion or be used as an additional boundary condition for the synthesis of the target pressure profile.
  • FIG. 2 shows a setpoint calculation, shown schematically on the basis of diagrams and associated algorithms
  • FIG. 23 shows a schematic representation of an overall iteration concept
  • FIG. 23 shows a diagram of the parameters involved in the respective step for the execution of the possible precontrol algorithm
  • FIG. 1 shows a schematic view of the synthetic composition of a desired pressure profile with a first time period relating to a polytropic compression, with an adjoining second time period relating to a preferably constant pressure increase and with a third time interval with regard to a polytropic expansion.
  • this desired cylinder pressure curve for example based on an alpha process, a Miller or Atkinson and / or also Sariaer process or other processes, is thus composed.
  • the alpha process will be For example, in the dissertation at the RWTH Aachen by Dipl.-Ing. Jan Hinkelbein with the title "Combustion characteristic control by means of injection curve modulation for direct injection diesel engines", in particular from p.
  • the alpha process is characterized by the start of combustion, i. E. SOR (start of ramp) or ramp beginning, and a beginning of SOR constant ramp slope (therefore mathematically alpha) defined. Due to the independent variation of SOR and Alpha, the process allows thermodynamic degrees of freedom. The two extreme cases of equal pressure and equal space processes are with this consideration only special cases of the alpha process.
  • the equalization process is known to be a typical ideal of an Otto engine combustion process. This refers to isochoric combustion, ie. the complete fuel conversion with the same cylinder volume.
  • the alpha process was used only as an example as a target size due to its degrees of freedom. For further applications, however, beyond the alpha process, even more litigation, such. B. locally variable pressure increases, as setpoints definable.
  • the setpoint characteristics of the pressure curve for example a ramp gradient Alpha or ⁇ and a ramp start SORT, are read from a memory or core field. With these characteristics, the pressure profile is then synthesized over the following three stages: i. Polytropic compression ii. Constant increase in pressure according to the predetermined ramp slope a, but also a variable, sectionwise ramp slope can be realized. iii. Polytropic expansion, for example corrected by, for example, an EGR rate and / or a rail pressure. In order to take into account the required indicated mean pressure of the high-pressure phase, expressed as load requirement pmi, the pressure profile must be calculated iteratively. In this case, in certain crankshaft step sizes (defined in degrees.
  • the synthetic pressure curve can be represented more accurately than with a coarse increment (eg 1 degree crankshaft), whereby the set resolution results from the stress field between computing speed and accuracy) within the ramp Expansion phase initiated as a test.
  • a fine resolution or step size eg 0.1 degree crankshaft
  • the synthetic pressure curve can be represented more accurately than with a coarse increment (eg 1 degree crankshaft), whereby the set resolution results from the stress field between computing speed and accuracy) within the ramp Expansion phase initiated as a test.
  • the entire pressure curve is given and it can be checked whether the given pmi is reached. If not, another step is added or "climbed" along the ramp and the test is repeated. This procedure is followed iteratively until a pressure curve corresponding to the load request results, as are the iterations 1 to 4 from FIG. 1 emerge.
  • FIG. 2 shows that, taking into account the engine boundary conditions such as, for example, boost pressure, exhaust gas recirculation (EGR) rate and / or valve timing from the pressure curve, the desired total combustion profile can be determined based on an energy balance.
  • the cumulative combustion process designates the cumulative heat energy converted in the work cycle.
  • the saturation value of the cumulative combustion curve thus corresponds to the chemical energy quantity entered by the injectors (in the case of complete fuel conversion).
  • the averaged temperature profile and the average oxygen concentration profile in the cylinder are also determined, as the individual superimposed diagrams in FIG. 2 show.
  • These synthetically generated gradients are used for the pre-control as set values for the pressure curve or the combustion process as well as state variables for a temperature or an oxygen content. The following relationship is considered here:
  • IVC-EVO calculation taking into account the cylinder gas state at IVC (EGR, temperature, pressure, degree of filling), with IVC as an abbreviation of Inlet Valve Close, EVO as an abbreviation of Exit Valve Open and pmi as an abbreviation for pressure mean indicated, ie. the indicated mean pressure the high-pressure or working phase, actually correct therefore even as pmi HD to call
  • the ignition delay t zv , i is determined for the required hydraulic injection start SOI h ydr, i calculated by an ignition integral. This goes on the one hand from Fig. 5 as a sequence and on the other from FIG. 6 with respect to the diagram shown. 2.
  • a temporal hydraulic injection curve is calculated by means of an injector model m F / i ((p), which is shown in FIG. 9 or FIG. 10.
  • the resulting heat release Qb, Modei, i is calculated by means of a multi-part heat release model, wherein the heat release model can for example have a subdivision into different combustion phases such as premixed and diffusion-controlled combustion, see also FIG. 11 or FIG. 12.
  • the resulting course of the heat release is compared with the target cumulative combustion curve taking into account an injection quantity iteration criterion. Will the injection quantity iteration criterion fulfilled, the first injection quantity has been found successfully. If the injection quantity iteration criterion can not yet be met, a new fuel quantity is generated on the basis of the resulting deviation. With this new amount of fuel again points 2 and 3 will go through again. This iteration repeats until the injection quantity iteration criterion is met. From this iteration also results in a fictitious combustion end MFB X / i for the pilot control algorithm, which point physically does not represent the end of combustion, but only the point to which combustion is monitored by the algorithm.
  • any incineration share after this point will be calculated on the basis of the subsequent burns. This is shown in FIGS. 13 and 14. If it is determined by the comparison between the desired combustion profile and the modeled total heat release, for example from the superposition of the previous individual combustions, that further combustions are required, then the above-described fictitious combustion end of the current injection with the required start of combustion SOC X / i of the next injection equated. This is then the starting point for calculating the next injection, as shown in FIG. 15 and FIG. 16. In this way, besides the injection times and quantities, the number of required injections is automatically generated by the algorithm. Further explanations follow in the discussion of the injection quantity iteration criterion.
  • the electrical signals such as relevant variables for processing in the engine control unit for starting SOQ + i and the duration ET e i e ctr, i are calculated for each individual injection event by an injector model, as for example, from Fig 17 and Fig. 18 can be seen.
  • an injection profile which is generally composed of several injections, builds up successively. This results in a modeled overall heat release process, which results from the superimposition of the respective individual injections. resulting in heat release. This injection profile build-up takes place until the resulting overall heat release curve has approached the target cumulative combustion curve in accordance with the injection quantity iteration criterion with sufficient accuracy, which is shown in FIGS. 19 to 22 is shown.
  • the individual injection quantity is preferably adjusted on the basis of the deviation between the nominal sum-combustion profile and the modeled total heat release profile in the effective range of the respective heat release associated with the current individual injection.
  • this effective range is discretized into several partial effective ranges corresponding to the normalized fuel sales progress, referred to as mass fraction burned (MFB).
  • a first partial active area can thus extend, for example, to the area MFBO - MFB30, ie.
  • the crankshaft angle range (in degrees) between the point at which 0% of the single injection amount has been converted to the point where 30% of the single injection quantity has been converted (ie, the distance between two angular positions of the crankshaft position.)
  • the corrected single injection quantity is used to recalculate the modeled total heat release history, and again the deviation is checked. until a single injection amount has been found, which causes the deviation within a permissible value range.
  • the partial effective range is widened, e.g. MFBO - MFB40. Due to the described mechanism, the partial effective area has to be extended to MFBO - MFB100, i. E. the single injection refers to an effective range extending to the end of the working cycle, thus identifying the last single injection required for the current working cycle. The entire injection profile is then determined.
  • FIG. 23 schematically illustrates the iterative procedure for determining the entire injection profile.
  • a higher-order iteration circle is tracked as long as injections are added until the superposition of the previous injections leads to a sufficient approximation to the desired combustion profile.
  • Each individual injection must also be determined iteratively. The result of each individual injection iteration is, in addition to the amount of fuel to be injected, the required start of combustion of the next injection.
  • Fig. 24 to FIG. 28 show different simulation results, each of which shows that the pre-control gives the results sufficient accuracy that enables real-time-based combustion rate control, in particular in the transient range.
  • Method with a pilot control characterized in that the pilot control passes the injection profile to a combustion rate control, wherein in the transient operating range, the combustion rate control operates real-time based.
  • Method with a feedforward control characterized in that the feedforward control operates in the transient operating range real-time based, wherein the injection profile determined by this is implemented directly by means of an injection device with possible circumvention of a control.
  • pilot control iteratively calculates a pressure curve in a cylinder of the internal combustion engine, wherein the pressure curve by means of three sections comprising a polytrope compression, a pressure increase, preferably a constant pressure increase and a polytropic expansion is calculated ,
  • Method according to item 5 characterized in that on the part of the pilot control, a second iteration for determining an adjusted operating point-dependent rail pressure takes place, which is received in the determination of the injection profile.
  • Method according to item 6 characterized in that an expansion phase, preferably the polytropic expansion, is introduced as a test during the iteration in order to check whether a predetermined indicated mean pressure p mi is reached.
  • the combustion process model comprises at least one fuel injector model, an ignition delay time model and a combustion heat release model.
  • Control unit characterized in that the control unit is coupled to other control units of the internal combustion engine, wherein a combustion rate control is deposited, upstream of the pilot control.
  • Control unit characterized in that the control unit has the feedforward control implemented, while another control unit of the internal combustion engine has implemented a combustion rate control, both control units for data exchange from the feedforward control for combustion rate control are coupled together.
  • Control unit characterized in that the pilot control is implemented as a model-based pilot control algorithm for diesel engine combustion rate control by digital multiple injection into the control unit.

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Abstract

The invention relates to a pilot control with real-time capability for an injection profile that is to be used at least in a transient operating range of an internal combustion engine, the pilot control determining the injection profile iteratively by means of a model-based combustion process model. Also disclosed is a control device in which a corresponding method is implemented.

Description

Modellbasierte Versteuerung zur Verbrennunasratenreaeluna  Model-based taxation for the combustion rate realeuna
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine mit einer echtzeitfähigen Vorsteuerung eines Einspritzprofils sowie ein Steuergerät einer Verbrennungskraftmaschine aufweisend eine echtzeit- basierte Vorsteuerung eines Einspritzprofils. Vorzugsweise wird die Vorsteue- rung als modellbasierter Vorsteueralgorithmus zur dieselmotorischen Verbrennungsratenregelung durch intermittierende Mehrfacheinspritzung (mitunter auch als digitale Mehrfacheinspritzung bezeichnet) in ein Steuergerät implementiert. Aus der DE 10 2007 012 604 AI geht schon eine Verbrennungsratenregelung hervor, bei der ein iterativ lernender Feedback Regler eingesetzt wird . Dieser Regler generiert auf Basis eines messtechnisch erfassten Zylinderdruckverlaufes des jeweils vorherigen Arbeitszyklus ein digitales Einspritzprofil . Es konnte dort bereits gezeigt werden, dass die dieselmotorische Verbrennung durch die Realisierung eines vorgegebenen Zylinderdruckverlaufes, beziehungsweise einer vorgegebenen Verbrennungsrate über den gesamten Arbeitszyklus in Form einer Verbrennungsratenregelung hinsichtlich Schadstoffemissionen, Kraftstoffverbrauch und Geräuschverhalten optimiert werden kann. Die Verbrennungsratenregelung ist bisher lediglich durch einen Regler in Form eines iterativ lernenden Feedback-Reglers (ILR) anhand eines zuvor vollständig erfassten Zylinderdruckverlaufs realisiert worden. Mit diesem Regelungsansatz kann zwar eine vorgegebene Verbrennungsrate mittels digitaler Mehrfacheinspritzung als Stellgröße in einem stationären Motorbetrieb eingeregelt werden. Jedoch hat sich herausgestellt, dass der Regler nicht schnell genug arbeitet, als dass dieser bestehende Ansatz für einen echtzeitfähigen Einsatz auch beispielweise in einem transienten Motorbetrieb genutzt werden kann. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Verbesserung dahingehend zu erzielen, dass auch in einem transienten Motorbetrieb eine Vorsteuerung für eine Verbrennungsratenregelung eingesetzt werden kann. Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine mit einer echtzeitfähigen Vorsteuerung eines Einspritzprofils mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Merkmale, Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung, den Figuren wie auch aus den Ansprüchen hervor, wobei einzelne Merkmale einer Ausgestaltung der Erfindung nicht auf diese beschränkt sind. Vielmehr sind ein oder mehrere Merkmale einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung mit ein oder mehreren Merkmalen einer anderen Ausgestaltung nach der Erfindung zu weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltungen verknüpfbar. Auch dienen die Formulierungen der unabhängigen Ansprüche nur als eine nicht limitierende Definition des zu beanspruchenden Gegenstands. Ein oder mehrere Merkmale der Formulierungen können daher ausgetauscht wie auch weggelassen werden, ebenso aber auch zusätzlich ergänzt werden. Auch können die anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels angeführten Merkmale auch verallgemeinert beziehungsweise bei anderen Ausführungsbeispielen, insbesondere Anwendungen ebenfalls eingesetzt werden. The invention relates to a method for operating an internal combustion engine having a real-time capable pilot control of an injection profile and to a control device of an internal combustion engine having a real-time-based pilot control of an injection profile. Preferably, the precontrol is implemented as a model-based pilot control algorithm for diesel engine combustion rate control by intermittent multiple injection (also sometimes referred to as digital multiple injection) in a control unit. From DE 10 2007 012 604 Al already shows a combustion rate control in which an iterative learning feedback controller is used. This controller generates a digital injection profile on the basis of a metrologically detected cylinder pressure curve of the respective previous working cycle. It has already been shown there that the diesel engine combustion can be optimized by implementing a predetermined cylinder pressure curve or a given combustion rate over the entire work cycle in the form of a combustion rate control with regard to pollutant emissions, fuel consumption and noise behavior. The combustion rate control has hitherto only been realized by a controller in the form of an iteratively learning feedback controller (ILR) on the basis of a previously completely recorded cylinder pressure curve. Although with this control approach, a predetermined combustion rate can be adjusted by means of digital multiple injection as a manipulated variable in a stationary engine operation. However, it has been found that the controller does not work fast enough that this existing approach for real-time use can also be used, for example, in transient engine operation. It is therefore an object of the present invention to achieve an improvement in that a pilot control for combustion rate control can also be used in transient engine operation. This object is achieved by a method for operating an internal combustion engine with a real-time capable pilot control of an injection profile having the features of claim 1. Advantageous features, embodiments and further developments of the invention will become apparent from the following description, the figures as well as from the claims, wherein individual features of an embodiment of the invention are not limited to these. Rather, one or more features of an embodiment of the invention with one or more features of another embodiment of the invention to other embodiments of the invention can be linked. Also, the wording of the independent claims serves only as a non-limiting definition of the subject matter to be claimed. One or more features of the formulations can therefore be exchanged as well as omitted, but also be supplemented in addition. Also, the features cited with reference to a specific embodiment can also be generalized or used in other embodiments, in particular applications as well.
Es wird ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine mit einer echtzeitfähigen Vorsteuerung eines Einspritzprofils zur Verwendung zumindest in einem transienten Betriebsbereich der Verbrennungskraftmaschine vorge- schlagen, wobei die Vorsteuerung das Einspritzprofil iterativ über ein modellbasiertes Verbrennungsprozessmodell ermittelt. A method is proposed for operating an internal combustion engine having a real-time capable pilot control of an injection profile for use at least in a transient operating range of the internal combustion engine, wherein the pilot control determines the injection profile iteratively via a model-based combustion process model.
Die Erfindung betrifft also eine Vorsteuerung bzw. ein Verfahren zur Vorsteuerung des Einspritzprofils für eine Verbrennungskraftmaschine, um definierte Soll-Verbrennungsraten realisieren zu können. Im Allgemeinen geht eine Vorsteuerung ergänzend mit einer Regelung einher, um die Regelung in Bezug auf ihr Konvergenzverhalten zu beschleunigen, womit die Motivation zur Entwicklung einer Vorsteuerung gegeben ist. Die Regelung, hier die Verbrennungsratenregelung, ist also nicht zwingender Bestandteil der Erfindung. Insbesondere wird ein modellbasiertes Verfahren zur ganzheitlichen Prädiktion eines digitalen Kraftstoffeinspritzprofils unter betriebspunktabhängiger Vorgabe eines Sollverbrennungsverlaufes über den gesamten Arbeitszyklus einer Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagen. Daraus ergeben sich vorzugsweise zwei grundsätzliche Anwendungsgebiete: i. Einsatz zur echtzeitfähigen, modellbasierten Vorsteuerung des Einspritzprofils zur Optimierung einer anschließenden Verbrennungsratenregelung durch digitale Mehrfacheinspritzung auch in einem transienten Motorbe- trieb und ii. Auslegung bzw. Offline-Kalibrierung einer Kraftstoffeinspritzstrategie zur kennfeldbasierten Vorsteuerung des Einspritzprofils zur Realisierung derThe invention thus relates to a feedforward control or a method for pilot control of the injection profile for an internal combustion engine in order to be able to realize defined target combustion rates. In general, a feedforward control is in addition to a regulation in order to accelerate the regulation in terms of their convergence behavior, which is the motivation for the development of a feedforward control is given. The regulation, here the combustion rate control, is therefore not a mandatory part of the invention. In particular, a model-based method for the holistic prediction of a digital fuel injection profile under operating point-dependent predefinition of a nominal combustion curve over the entire operating cycle of an internal combustion engine is proposed. This results in preferably two basic fields of application: i. Use for real-time capable, model-based pilot control of the injection profile to optimize subsequent combustion rate control by digital multiple injection even in transient engine operation and ii. Design or offline calibration of a fuel injection strategy for map-based feedforward control of the injection profile to realize the
Verbrennungsratenregelung durch digitale Mehrfacheinspritzung auch im transienten Motorbetrieb. Combustion rate control by digital multiple injection even in transient engine operation.
Insbesondere gelingt es gemäß des vorgeschlagenen Verfahrens, sich an eine Soll-Verbrennungsrate anzunähern. Die Soll-Verbrennungsrate ist beispielsweise aufgrund der durch den Fahrer geforderten Vorgabe zum Beispiel aufgrund von Gas- und/oder Bremsbestätigung über ein Steuergerät, insbesondere über ein Motorsteuergerät vorgebbar. Das Steuergerät kann die Soll-Verbrennungsrate beispielwiese gespeichert aufweisen bzw. aufgrund der Anfor- derung des Fahrers ermitteln und sodann der Vorsteuerung zuweisen. In particular, according to the proposed method, it is possible to approach a desired combustion rate. The target combustion rate can be predetermined, for example on the basis of the specification required by the driver, for example due to gas and / or brake confirmation via a control unit, in particular via an engine control unit. The control unit may, for example, have the desired combustion rate stored or ascertain on the basis of the driver's requirement and then allocate the pilot control.
Vorzugsweise wird mittels eines modellbasierten Vorsteuerkonzeptes ein Einspritzprofil aufweisend Anzahl, Zeitpunkte, Mengen und Raildruck der Einspritzungen in Abhängigkeit vom derzeitigen Motorbetriebspunkt berechnet, womit ein echtzeitfähiger Einsatz des Prinzips einer Verbrennungsratenregelung auch im transienten Motorbetrieb ermöglicht wird. Hierbei wird als ein mögliches Beispiel einer anwendbaren Verbrennungsratenregelung im Rahmen der Offenbarung dieser Erfindung auf die Verbrennungsratenregelung hingewiesen, wie sie aus der schon oben angeführten DE 10 2007 012 604 AI hervor- geht, deren Inhalt hiermit zum Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung gemacht wird. Preferably, by means of a model-based pilot control concept, an injection profile comprising the number, times, quantities and rail pressure of the injections is calculated as a function of the current engine operating point, thus enabling real-time use of the principle of combustion rate control even in transient engine operation. Here, as a possible example of an applicable combustion rate control in the context of the disclosure of this invention, reference is made to the combustion rate control, as is apparent from the already mentioned DE 10 2007 012 604 A1. whose content is hereby made the disclosure content of the present application.
Die Vorsteuerung bietet die Möglichkeit, den Einregelvorgang des vorzugs- weise ILR oder anderen Reglers zu beschleunigen, beziehungsweise ihn insbesondere in transientem Motorbetrieb vollständig zu "umgehen" bzw. zu vermeiden. Die Beschleunigung des Einregelvorgangs wird damit erreicht, dass die Vorsteuerung vorab ein Einspritzprofil berechnet, welches zumindest richtungsweise dazu führt, dass die aktuelle Verbrennungsrate einer Soll-Verbren- nungsrate entspricht. Dadurch muss dem ILR nur noch eine geringe Korrektur des Einspritzprofils abverlangt werden. Die Verbrennungsratenregelung mittels des ILR allein war bisher im transienten Motorbetrieb noch nicht möglich. Durch die Vorsteuerung ist die Verbrennungsratenregelung nunmehr auch im transienten Motorbetrieb und somit für den realen Fahrzeugeinsatz ermöglicht. Insbesondere wird die Vorausberechnung eines gesamten Einspritzprofils ausgehend von einer vorgegeben Soll-Verbrennungsrate ermöglicht. The feedforward control offers the possibility of accelerating the control process of the preferably ILR or other controller, or of completely bypassing it or avoiding it in particular in transient engine operation. The acceleration of the adjustment process is achieved in that the precontrol calculates an injection profile in advance, which at least approximately results in the current combustion rate corresponding to a desired combustion rate. As a result, only a small correction of the injection profile has to be demanded of the ILR. The combustion rate control using the ILR alone was not yet possible in transient engine operation. Due to the pilot control, the combustion rate control is now also possible in transient engine operation and thus for real vehicle use. In particular, the prediction of an entire injection profile is made possible starting from a predetermined target combustion rate.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das Verfahren mit der Vorsteuerung das Einspritzprofil an die Verbrennungsratenregelung übergibt, wobei in dem transienten Betriebsbereich die Verbrennungsratenregelung echtzeitbasiert arbeitet. Gemäß einer anderen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Vorsteuerung in dem transienten Betriebsbereich echtzeitbasiert arbeitet, wobei das von dieser ermittelte Einspritzprofil direkt mittels einer Einspritzvorrichtung unter eventueller Umgehung einer Regelung, insbesondere der Verbren- nungsratenregelung umgesetzt wird. Furthermore, it is proposed that the method with the precontrol transfers the injection profile to the combustion rate control, wherein in the transient operating range, the combustion rate control operates on a real-time basis. According to another embodiment, it is provided that the feedforward control operates in the transient operating range based on real time, wherein the injection profile determined by the latter is implemented directly by means of an injection device, possibly bypassing a control, in particular the combustion rate control.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Vorsteuerung iterativ einen Druckverlauf in einem Zylinder der Verbrennungskraftmaschine berechnet, wobei der Druckverlauf mittels dreier Abschnitte umfassend eine polytrope Kompression, einen Druckanstieg, vorzugsweise einen konstanter Druckanstieg und eine polytrope Expansion berechnet wird. Insbesondere ist vorgesehen, dass betriebspunktabhängig ein optimaler Druckanstieg für den synthetischen Druckverlauf gewählt wird. Der vorgegebene Druckanstieg muss dabei nicht unbedingt konstant sein. Es sind auch verschiedenartige Druckanstiege möglich, zum Beispiel ein oder mehrere nur abschnittsweise variable konstante Druckanstiege. Hierzu wird nachfolgend noch näheres ausgeführt. A further development provides that the pilot control iteratively calculates a pressure curve in a cylinder of the internal combustion engine, wherein the pressure curve is calculated by means of three sections comprising a polytropic compression, a pressure increase, preferably a constant pressure increase and a polytropic expansion. In particular, it is provided that operating point-dependent an optimum pressure increase is selected for the synthetic pressure curve. The predetermined pressure increase does not necessarily have to be constant. There are also various pressure increases possible For example, one or more variable pressure increases only in sections. For this purpose, further details are given below.
Gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung, der mit dem obigen Verfah- ren verknüpft aber auch unabhängig von diesem genutzt werden kann, wird ein Steuergerät einer Verbrennungskraftmaschine aufweisend eine echtzeit- basierte iterative Vorsteuerung eines Einspritzprofils mittels eines modellbasierten Verbrennungsprozessmodells vorgeschlagen, wobei das Verbrennungsprozessmodell zumindest ein Kraftstoffinjektormodell und/oder ein Zündverzugszeitmodell und/oder ein Verbrennungswärmefreisetzungsmodell umfasst. According to a further aspect of the invention, which can be linked to the above method but can also be used independently of this, a control unit of an internal combustion engine having a real-time based iterative pilot control of an injection profile is proposed by means of a model-based combustion process model, wherein the combustion process model is at least one fuel injector model and / or an ignition delay time model and / or a combustion heat release model.
Die verwendeten Modelle wie z. B. ein Zündverzugsmodell, ein Kraftstoffinjektormodell, ein Verbrennungswärmefreisetzungsmodell und/oder ein Brenn- dauermodell können je nach Anwendungsfall einen empirischen Ansatz enthalten bzw. als Blackbox gestaltet sein, beispielweise ein oder mehrere neuronale Netze aufweisen, einen phänomenologischen Ansatz beinhalten bzw. als Whitebox gestaltet sein, beispielsweise als physikalisches und/oder chemisches Modell, und/oder einen gemischten Ansatz aufweisen bzw. als Greybox gestaltet sein. The models used such. Depending on the application, for example, an ignition delay model, a fuel injector model, a combustion heat release model and / or a continuous combustion model can be designed as a black box, have one or more neural networks, include a phenomenological approach or be designed as a whitebox For example, as a physical and / or chemical model, and / or have a mixed approach or designed as a gray box.
Das Steuergerät ist mit anderen Steuergeräten der Verbrennungskraftmaschine gekoppelt, wobei eine Verbrennungsratenregelung hinterlegt ist, der die Vorsteuerung vorgelagert ist. Bevorzugt ist es, wenn die Vorsteuerung in dem Steuergerät implementiert ist, während in einem anderen Steuergerät der Verbrennungskraftmaschine eine Verbrennungsratenregelung implementiert ist, wobei beide Steuergeräte zum Austausch von Daten von der Vorsteuerung zur Verbrennungsratenregelung miteinander gekoppelt sind. Weiterhin ist es bei dieser wie auch bei anderen vorgeschlagenen Ausgestaltungen bevorzugt, wenn die Vorsteuerung als modellbasierter Vorsteueralgorithmus zur dieselmotorischen Verbrennungsratenregelung durch digitale Mehrfacheinspritzung im Steuergerät implementiert ist. Daher wird mittels eines modellbasierten Vorsteuerkonzeptes ein Einspritzprofil umfassend Anzahl, Zeitpunkte, Mengen und Raildruck der Einspritzungen in Abhängigkeit vom aktuellen Motorbetriebspunkt berechnet, womit ein echt- zeitfähiger Einsatz des Prinzips der Verbrennungsratenregelung auch im tran- sienten Motorbetrieb ermöglicht wird. The control unit is coupled to other control units of the internal combustion engine, wherein a combustion rate control is deposited, upstream of the pilot control. It is preferred if the feedforward control is implemented in the control unit, while in another control unit of the internal combustion engine, a combustion rate control is implemented, wherein both control units are coupled to each other for the exchange of data from the pilot control for combustion rate control. Furthermore, it is preferred in this as well as in other proposed embodiments, when the feedforward control is implemented as a model-based pilot control algorithm for diesel engine combustion rate control by digital multiple injection in the control unit. Therefore, by means of a model-based pilot control concept, an injection profile comprising the number, times, quantities and rail pressure of the injections is calculated as a function of the current engine operating point, thus enabling a real-time use of the principle of combustion rate control even in transient engine operation.
Der Vorsteueralgorithmus kann in der Lage sein, ein digitales Einspritzprofil zu generieren, welches zu einer vorgegebenen, motorbetriebspunktabhängigen Verbrennungsrate führt. Dazu wird der Verbrennungsprozess ä priori als Modell abgebildet. Zur modellbasierten Abbildung des Verbrennungsprozesses ist jedoch die Kenntnis über das Einspritzprofil erforderlich. Das Einspritzprofil ist jedoch gerade die gesuchte Zielgröße. Daher wird mittels einer Iteration in Bezug auf die Errechnung des gesuchten Einspritzprofils vorgegangen. Die Qualität des errechneten Einspritzprofils hinsichtlich der erreichten Soll-Ver- brennungsrate hängt maßgeblich von der Genauigkeit des die Kraftstoffeinspritzung beschreibenden Motormodells ab. Dieses Modell setzt sich daher vorzugsweise aus zumindest einem Kraftstoffinjektormodell, einem Zündver- zugszeitmodell und einem Verbrennungswärmefreisetzungsmodell zusammen. Neben der Berechnung des Einspritzprofils mit Beginn, Dauer und Anzahl der Einzel-Einspritzungen kann auch eine Anpassung des Raildrucks mit berücksichtigt werden. Dieses lässt wie folgt erläutern : Der vorgegebene Soll-Brennverlauf kann im Allgemeinen durch die Anpassung des Einspritzprofils lediglich angenähert werden, wobei der Raildruck bereits voreingestellt ist. In Sonder- fällen, zum Beispiel bei sehr hohen Brennraten, führt eine alleinige Optimierung von Beginn, Dauer und Anzahl der Einzel-Einspritzungen gegebenenfalls nicht zu einer hinreichenden Annäherung an den Soll-Brennverlauf. In solchen Fällen kann eine zusätzliche Anpassung des Raildrucks zu einer weiteren Annäherung an den Soll-Brennverlauf führen. Dazu kann eine weitere Iterations- ebene eingefügt werden, die zu einer Optimierung des betriebspunktabhängigen Raildrucks führt. Somit können alle Variabilitäten des Einspritzpfades, d .h. die Hochdruckerzeugung durch die Hochdruckkraftstoffpumpe (Raildruck) und die Kraftstoffeinspritzung durch die Injektoren von dem Vorsteueralgorithmus genutzt werden. Die Vorsteuergüte hängt in starkem Maße von der Parametrisierung, d .h. von dem Auffinden passender Werte von möglichen Einsteilgrößen der Vorsteuerung, ab; Mögliche Parameter/Einstellgrößen sind z. B. Skalierfaktoren im Zündverzugsmodell. Diese müssen beispielsweise für verschiedene Kraftstoffe (Cetanzahl) entsprechend angepasst werden. Eine lernfähige Parametrisierung soll berücksichtigt werden. So lässt sich die Parametrisierung, durch den vorhandenen Zylinderdruck indiziert, initial für verschiedene Motorkonfigurationen, zum Beispiel einem Anlernen der initialen Einzeleinspritzmengen im Stationärbetrieb unter Zuhilfenahme des iterativ lernenden Feedback- Reglers (ILR), durchführen, aber auch in Abhängigkeit vom Motorzustand anpassen, zum Beispiel einer Detektion von Kraftstoffvariationen und Anpassung von Parametern im Zündverzugsmodell. The pre-control algorithm may be capable of generating a digital injection profile that results in a predetermined engine operating point-dependent combustion rate. For this, the combustion process is modeled a priori. For model-based mapping of the combustion process, however, the knowledge about the injection profile is required. However, the injection profile is just the desired target size. Therefore, an iteration with respect to the calculation of the sought injection profile is used. The quality of the calculated injection profile with regard to the target combustion rate achieved depends largely on the accuracy of the engine model describing the fuel injection. This model is therefore preferably composed of at least one fuel injector model, an ignition delay time model and a combustion heat release model. In addition to calculating the injection profile with start, duration and number of individual injections, an adjustment of the rail pressure can also be taken into account. This can be explained as follows: The predetermined nominal combustion curve can generally only be approximated by the adaptation of the injection profile, the rail pressure already being preset. In special cases, for example at very high burn rates, a sole optimization of the start, duration and number of individual injections may not lead to a sufficient approximation to the nominal combustion curve. In such cases, an additional adaptation of the rail pressure may lead to a further approximation to the nominal combustion curve. For this purpose, a further iteration level can be inserted, which leads to an optimization of the operating point-dependent rail pressure. Thus, all the variabilities of the injection path, i. E. the high pressure fuel injection by the high pressure fuel pump (rail pressure) and the fuel injection by the injectors are used by the pilot control algorithm. The pre-control quality depends to a great extent on the parameterization, ie. from finding suitable values of possible adjustment quantities of the precontrol; Possible parameters / settings are z. B. Scaling factors in the ignition delay model. These have to be adapted accordingly for different fuels (cetane number), for example. An adaptive parameterization should be considered. Thus, the parameterization, indicated by the existing cylinder pressure, can initially be carried out for different engine configurations, for example an initialization of the initial individual injection quantities in steady state operation with the aid of the iterative learning feedback controller (ILR), but also adapt depending on the engine state, for example a detection of fuel variations and adaptation of parameters in the ignition delay model.
Die Vorsteuerung kann auch im Offline-Betrieb zur Voroptimierung einer kennfeldbasierten Einspritzcharakteristik genutzt werden. So kann der Algorithmus im Offline-Betrieb auch Steuergeräte-Kennfelder für die Einspritzparameter umfassend Einspritzzeitpunkte, Mengen, Anzahl der Einspritzungen und Raildruck berechnen. Diese Option ist insbesondere dann sinnvoll, wenn ein Online-Betrieb des Vorsteueralgorithmus aufgrund von Steuergeräte-seiti- gen Einschränkungen der Rechenkapazität nicht möglich ist. The feedforward control can also be used in offline mode for the pre-optimization of a map-based injection characteristic. Thus, in offline mode, the algorithm can also calculate ECU maps for the injection parameters, including injection times, quantities, number of injections, and rail pressure. This option is particularly useful if on-line operation of the pre-control algorithm is not possible due to ECU-side limitations of the computing capacity.
Im Falle der echtzeitfähigen Implementierung des Vorsteueralgorithmus ins Steuergerät kann die Zylinderdruckindizierung, die bei Nutzung eines ILR bereits für diesen vorhanden ist, beispielweise dazu genutzt werden, ein oder mehrere Störgrößen des Arbeitsprozesses zu erfassen . Störgrößen des Arbeitsprozesses können hierbei zum Beispiel Kraftstoffvarianzen, Komponen- tentoleranzen/-Verschleiß bzw. Alterungseinflüsse wie auch Umgebungseinflüsse umfassen . Der Einfluss dieser Störgrößen kann zwecks Kompensation durch eine entsprechende Adaption der Parametrisierung des Vorsteueralgo- rithmus berücksichtigt werden. Dieses wird nachfolgend anhand zweier Beispiel verdeutlicht. In the case of real-time implementation of the pilot control algorithm in the control unit, the cylinder pressure indexing, which is already available for this when using an ILR, for example, can be used to detect one or more disturbances of the work process. Disturbance variables of the working process may include, for example, fuel variances, component tolerances / wear or aging influences as well as environmental influences. The influence of these disturbance variables can be taken into account for the purpose of compensation by a corresponding adaptation of the parameterization of the pilot control algorithm. This will be clarified below with reference to two examples.
Beispiel 1 : Eine Detektion eines veränderten Zündverzugs, zum Beispiel aufgrund einer Kraftstoffvarianz, führt im Umkehrschluss zu einer Änderung der Cetanzahl, woraus eine Anpassung des Parameters "Cetanzahl" im Zündver- zugsmodell resultiert. Example 1: A detection of a changed ignition delay, for example due to a fuel variance, leads inversely to a change in the Cetane number, resulting in an adjustment of the parameter "cetane number" in the ignition delay model.
Beispiel 2 : Eine Detektion einer veränderten Energieeinbringung in den Brennraum, beispielsweise durch eine Kraftstoffvarianz oder durch eine Ablagerung in den Einspritzdüsen, wirkt sich auf den Durchflusskoeffizienten der Einspritzdüse sowie auf den Heizwert bzw. die Dichte des Kraftstoffes aus. Daraus folgt sodann eine Anpassung des Parameters "Durchflusskoeffizient" im Injektormodell sowie eine Anpassung der Parameter "Kraftstoffdichte" und "unterer Heizwert" im Wärmefreisetzungsmodell. Example 2: A detection of a changed energy input into the combustion chamber, for example by a fuel variance or by a deposit in the injection nozzles, has an effect on the flow coefficient of the injection nozzle and on the calorific value or the density of the fuel. From this follows an adaptation of the parameter "flow coefficient" in the injector model as well as an adjustment of the parameters "fuel density" and "lower calorific value" in the heat release model.
Über den Brennverlauf geht letztlich ein synthetischer Zylinderdruckverlauf als Sollgröße in den Vorsteueralgorithmus ein. Neben der alleinigen Synthetisierung des Zylinderdruckverlaufes kann gemäß einer Weiterbildung der Erfin- dung auch der Sollverlauf der Temperatur entsprechend synthetisiert werden, um beispielsweise die Bildung von NOx-Entstehung zu umgehen, die besonders in gewissen Temperaturbereichen stattfindet (insbesondere hohe Temperaturen); diese Temperaturbereiche sollen vermieden werden, indem ein entsprechender Soll-Temperaturverlauf vorgegeben wird . Dadurch kann bei- Spielwiese das Einhalten von vorgebbaren NOx-Grenzwerten überwacht werden. About the combustion process is ultimately a synthetic cylinder pressure curve as a target size in the pre-control algorithm. In addition to the sole synthesis of the cylinder pressure curve, according to a further development of the invention, the desired course of the temperature can be synthesized accordingly, for example in order to avoid the formation of NO x formation, which occurs particularly in certain temperature ranges (in particular high temperatures); These temperature ranges should be avoided by a corresponding desired temperature profile is specified. As a result, compliance with predefinable NOx limit values can be monitored.
Da der Zylinderdruckverlauf ä priori als bekannt vorausgesetzt wird, lässt sich gemäß einer Weiterbildung der Erfindung zudem auch eine Abschätzung des Verbrennungsgeräusches durchführen. Dies kann beispielweise unter Zuhilfenahme einer Föller-Analyse des Zylinderdruckverlaufes geschehen, wie sie zum Beispiel aus dem Artikel "Ein Verfahren zur Analyse und Prognose des Verbrennungsgeräusches von Ottomotoren", MTZ Oktober 2001, Vol .62, Ausgabe 10, pp.774-782 bzw. der Dissertationsschrift an der RWTH Aachen mit dem Titel "Verbrennungsgeräusch des direkteinspritzenden Hubkolbenmotors", Stefan Heuer, herunterladbar unter darwin.bth.rwth- aachen.de/opus/volltexte/2001/247/.../ euer _Stef an. df hervorgeht, auf die im Rahmen der Offenbarung entsprechend hingewiesen wird .. Die Abschätzung des Verbrennungsgeräusches kann somit im Umkehrschluss als zusätz- liches Kriterium beziehungsweise als zusätzliche Randbedingung für die Synthetisierung des Soll-Druckverlaufes verwendet werden. Since the cylinder pressure curve is assumed to be known a priori, an estimation of the combustion noise can also be carried out according to an embodiment of the invention. This can be done, for example, with the aid of a Föller analysis of the cylinder pressure curve, as described for example in the article "A method for analyzing and predicting the combustion noise of gasoline engines", MTZ October 2001, Vol .62, Issue 10, pp.774-782 and of the dissertation at the RWTH Aachen with the title "combustion noise of the direct injection reciprocating engine", Stefan Heuer, downloadable under darwin.bth.rwth-aachen.de/opus/volltexte/2001/247/.../ your _Stef. df, which is referred to in the context of the disclosure. The estimation of the combustion noise can therefore be considered as an additional Lich criterion or be used as an additional boundary condition for the synthesis of the target pressure profile.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Im Ein- zelnen zeigen : The invention will be explained in more detail with reference to the drawing. In detail show:
Fig. 1 eine schematische Synthetisierung eines Soll-Druckverlaufs, 1 is a schematic synthesis of a desired pressure curve,
Fig. 2 eine Sollgrößenberechnung, schematisch anhand von Diagrammen und zugehörigen Algorithmen dargestellt, FIG. 2 shows a setpoint calculation, shown schematically on the basis of diagrams and associated algorithms, FIG.
Fign. 3, 5, 7, 9, 11, 13 ,15, 17, 19 und 21 FIGS. 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17, 19 and 21
jeweils einen Ablauf in Bezug auf einen möglichen Vorsteueralgorithmus,  each a sequence with respect to a possible pre-control algorithm,
Fign. 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18 und 20 FIGS. 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18 and 20
jeweils ein zum Ablauf des möglichen Vorsteueralgorithmus zugehöriges Diagramm der in dem jeweiligen Schritt betroffenen Parameter, Fig. 23 eine schematische Darstellung eines gesamten Iterationskonzeptes, und  FIG. 23 shows a schematic representation of an overall iteration concept, and FIG. 23 shows a diagram of the parameters involved in the respective step for the execution of the possible precontrol algorithm
Fign. 24 bis 28 FIGS. 24 to 28
jeweilige Ergebnisse von Simulationen bei verschiedenen Motorbe- triebspunkten.  respective results of simulations at different engine operating points.
Fig. 1 zeigt in schematischer Ansicht das synthetische Zusammensetzen eines Soll-Druckverlaufs mit einem ersten Zeitabschnitt betreffend eine polytrope Kompression, mit einem sich daran anschließenden zweiten Zeitabschnitt be- treffend eines vorzugsweise konstanten Druckanstiegs und mit einem dritten Zeitabschnitt hinsichtlich einer polytropen Expansion. Motorbetriebspunktan- hängig wird dieser Soll-Zylinderdruckverlauf, zum Beispiel basierend auf einem Alpha-Prozess, einem Miller bzw. Atkinson- und/oder auch Seiliger-Prozess oder anderen Prozessen, somit zusammengesetzt. Der Alpha-Prozess wird bei- spielsweise in der Dissertation an der RWTH Aachen von Herrn Dipl.-Ing. Jan Hinkelbein mit dem Titel "Verbrennungscharakteristikregelung mittels Ein- spritzverlaufsmodulation bei direkteinspritzenden Dieselmotoren", insbesondere ab S.49 beschrieben. Grundsätzlich ist der Alpha-Prozess durch den Be- ginn der Verbrennung, d .h. SOR (start of ramp) bzw. Rampenbeginn, und einer ab SOR beginnenden konstanten Rampensteigung (daher mathematisch Alpha) definiert. Durch die voneinander unabhängige Variation von SOR und Alpha lässt der Prozess thermodynamische Freiheitsgrade zu. Die beiden Extremfälle Gleichdruck- und Gleichraumprozesse sind mit dieser Betrachtung lediglich Sonderfälle des Alpha-Prozesses. Bekannt ist der Gleichraumprozess eine typische Idealvorstellung eines ottomotorischen Brennverfahrens. Gemeint ist die isochore Verbrennung, d .h. die vollständige Kraftstoffumsetzung bei gleichbleibendem Zylindervolumen. In den vorhandenen Ausführungsbeispielen wurde der Alpha-Prozess aufgrund seiner Freiheitsgrade lediglich exemplarisch als Sollgröße verwendet. Für weitere Anwendungen sind jedoch über den Alpha-Prozess hinaus auch noch weitere Prozessführungen, z. B. lokal variable Druckanstiege, als Sollgrößen definierbar. 1 shows a schematic view of the synthetic composition of a desired pressure profile with a first time period relating to a polytropic compression, with an adjoining second time period relating to a preferably constant pressure increase and with a third time interval with regard to a polytropic expansion. Depending on the engine operating point, this desired cylinder pressure curve, for example based on an alpha process, a Miller or Atkinson and / or also Seiliger process or other processes, is thus composed. The alpha process will be For example, in the dissertation at the RWTH Aachen by Dipl.-Ing. Jan Hinkelbein with the title "Combustion characteristic control by means of injection curve modulation for direct injection diesel engines", in particular from p. Basically, the alpha process is characterized by the start of combustion, i. E. SOR (start of ramp) or ramp beginning, and a beginning of SOR constant ramp slope (therefore mathematically alpha) defined. Due to the independent variation of SOR and Alpha, the process allows thermodynamic degrees of freedom. The two extreme cases of equal pressure and equal space processes are with this consideration only special cases of the alpha process. The equalization process is known to be a typical ideal of an Otto engine combustion process. This refers to isochoric combustion, ie. the complete fuel conversion with the same cylinder volume. In the existing embodiments, the alpha process was used only as an example as a target size due to its degrees of freedom. For further applications, however, beyond the alpha process, even more litigation, such. B. locally variable pressure increases, as setpoints definable.
Betriebspunktabhängig werden die Soll-Charakteristiken des Druckverlaufes, zum Beispiel eine Rampensteigung Alpha bzw. α und ein Rampenbeginn SORT, aus einem Speicher oder Kernfeld ausgelesen. Mit diesen Charakteristiken wird dann der Druckverlauf über die folgenden drei Stufen synthetisiert: i. Polytrope Kompression ii. Konstanter Druckanstieg entsprechend der vorgegebenen Rampensteigung a, wobei jedoch auch eine variable, abschnittsweise Rampensteigung realisiert werden kann. iii. Polytrope Expansion, beispielweise korrigiert durch zum Beispiel eine AGR-Rate und/oder einen Raildruck. Um den geforderten indizierten Mitteldruck der Hochdruckphase, ausgedrückt als Lastanforderung pmi, zu berücksichtigen, muss der Druckverlauf iterativ berechnet werden. Dabei wird in bestimmten Kurbelwellen-Schrittweiten (definiert in Grad . Ge- meint ist die Auflösung des Kurbelwellenwinkels; mit einer feinen Auflösung bzw. Schrittweite (z.B. 0.1 Grad Kurbelwelle) lässt sich der synthetische Druckverlauf genauer darstellen als mit einer groben Schrittweite (z.B. 1 Grad Kurbelwelle), wobei die eingestellte Auflösung sich aus dem Spannungsfeld zwischen Rechengeschwindigkeit und Genauigkeit ergibt) innerhalb der Rampe die Expansionsphase testweise eingeleitet. So ist der gesamte Druckverlauf vorgegeben und es kann geprüft werden, ob der vorgegebene pmi erreicht wird. Falls dies nicht der Fall ist, wird ein weiterer Schritt entlang der Rampe hinzugefügt beziehungsweise "hoch- geklettert", und die Prüfung erfolgt erneut. Diese Prozedur wird iterativ solange verfolgt, bis sich ein Druckverlauf ergibt, der der Lastanforderung entspricht, so wie die Iterationen 1 bis 4 aus Fig . 1 hervorgehen. Depending on the operating point, the setpoint characteristics of the pressure curve, for example a ramp gradient Alpha or α and a ramp start SORT, are read from a memory or core field. With these characteristics, the pressure profile is then synthesized over the following three stages: i. Polytropic compression ii. Constant increase in pressure according to the predetermined ramp slope a, but also a variable, sectionwise ramp slope can be realized. iii. Polytropic expansion, for example corrected by, for example, an EGR rate and / or a rail pressure. In order to take into account the required indicated mean pressure of the high-pressure phase, expressed as load requirement pmi, the pressure profile must be calculated iteratively. In this case, in certain crankshaft step sizes (defined in degrees. means is the resolution of the crankshaft angle; with a fine resolution or step size (eg 0.1 degree crankshaft), the synthetic pressure curve can be represented more accurately than with a coarse increment (eg 1 degree crankshaft), whereby the set resolution results from the stress field between computing speed and accuracy) within the ramp Expansion phase initiated as a test. Thus, the entire pressure curve is given and it can be checked whether the given pmi is reached. If not, another step is added or "climbed" along the ramp and the test is repeated. This procedure is followed iteratively until a pressure curve corresponding to the load request results, as are the iterations 1 to 4 from FIG. 1 emerge.
Fig. 2 zeigt auf, dass unter Berücksichtigung der motorischen Randbedingun- gen wie zum Beispiel Ladedruck, Abgasrückführ-(AGR-)Rate und/oder Ventilsteuerzeiten aus dem Druckverlauf der Soll-Summenbrennverlauf basierend auf einer Energiebilanz bestimmt werden kann. Der Summenbrennverlauf bezeichnet die kumuliert umgesetzte Wärmeenergie im Arbeitszyklus. Der Sättigungswert des Summenbrennverlaufes entspricht somit der durch die Injek- toren eingetragenen, chemischen Energiemenge (im Falle eines vollständigen Kraftstoffumsatzes). Neben dem Brennverlauf werden auch der gemittelte Temperaturverlauf sowie der gemittelte Sauerstoffkonzentrationsverlauf im Zylinder bestimmt, wie die einzelnen übereinander geordneten Diagramme in Fig. 2 wiedergeben. Diese synthetisch generierten Verläufe dienen der Vor- Steuerung als Sollgrößen für den Druckverlauf bzw. den Brennverlauf sowie als Zustandsgrößen für eine Temperatur bzw. einen Sauerstoffgehalt. Hierbei wird folgender Zusammenhang berücksichtigt: FIG. 2 shows that, taking into account the engine boundary conditions such as, for example, boost pressure, exhaust gas recirculation (EGR) rate and / or valve timing from the pressure curve, the desired total combustion profile can be determined based on an energy balance. The cumulative combustion process designates the cumulative heat energy converted in the work cycle. The saturation value of the cumulative combustion curve thus corresponds to the chemical energy quantity entered by the injectors (in the case of complete fuel conversion). In addition to the combustion process, the averaged temperature profile and the average oxygen concentration profile in the cylinder are also determined, as the individual superimposed diagrams in FIG. 2 show. These synthetically generated gradients are used for the pre-control as set values for the pressure curve or the combustion process as well as state variables for a temperature or an oxygen content. The following relationship is considered here:
Zylinderdruck und Temperatur Cylinder pressure and temperature
IVC-EVO Berechnung unter Berücksichtigung des Zylindergaszustands bei IVC (AGR, Temperatur, Druck, Füllungsgrad), mit IVC als Abkürzung von Inlet Valve Close, EVO als Abkürzung von Exit Valve Open und pmi als Abkürzung für pressure mean indicated, d .h. dem indizierten Mitteldruck der Hochdruck- bzw. Arbeitsphase, eigentlich korrekterweise daher sogar als pmiHDzu bezeichnen IVC-EVO calculation taking into account the cylinder gas state at IVC (EGR, temperature, pressure, degree of filling), with IVC as an abbreviation of Inlet Valve Close, EVO as an abbreviation of Exit Valve Open and pmi as an abbreviation for pressure mean indicated, ie. the indicated mean pressure the high-pressure or working phase, actually correct therefore even as pmi HD to call
Polytrope Kompression, konstanter Druckanstieg, polytrope Expansion Brennverlauf und 02- Konzentration Polytrope compression, constant pressure increase, polytropic expansion combustion curve and 0 2 concentration
Energiebilanz zwecks Berechnung von Brennrate und Summenbrennver- lauf  Energy balance for the purpose of calculating the burn rate and cumulative burn rate
02-Konzentrationsverlauf unter Berücksichtigung des Zylindergaszustands bei IVC und Annahme vollständiger Kraftstoffumsetzung 0 2 -concentration curve taking into account the cylinder gas state in IVC and assuming complete fuel conversion
Diese werden dazu benutzt, das dazugehörige Einspritzprofil zu generieren. These are used to generate the associated injection profile.
1. Ausgehend von einem durch den Soll-Summenbrennverlauf festgelegten Brennbeginn SOQ, wie er in Fig. 3 formelmäßig und in Fig. 4 im Dia- gramm festgehalten ist, wird für den erforderlichen hydraulischen Einspritzbeginn SOIhydr,i der Zündverzug tzv,i durch ein Zündintegral berechnet. Dieses geht zum Einen aus Fig . 5 als Ablauf und zum Anderen aus Fig. 6 hinsichtlich des dargestellten Diagramms hervor. 2. Unter initialer Annahme einer einzuspritzenden Kraftstoffmenge J mF/i, wie in Fig. 7 dargestellt, wird mittels eines Injektor-Modells ein zeitlicher hydraulischer Einspritzverlauf berechnet mF/i((p), was aus Fig. 9 bzw. Fig . 10 hervorgeht. 3. Mit dem hydraulischen Einspritzverlauf als Eingangsgröße wird die daraus resultierende Wärmefreisetzung Qb,Modei,i mittels eines mehrteiligen Wärmefreisetzungsmodells berechnet, wobei das Wärmefreisetzungsmodell beispielsweise eine Unterteilung in unterschiedliche Verbrennungsphasen wie zum Beispiel vorgemischte und diffusionsgesteuerte Verbrennung aufweisen kann, hierzu auch Fig . 11 bzw. Fig. 12. 1. Starting from a combustion start SOQ defined by the setpoint cumulative combustion curve , as is shown in the formula in FIG. 3 and in the diagram in FIG. 4, the ignition delay t zv , i is determined for the required hydraulic injection start SOI h ydr, i calculated by an ignition integral. This goes on the one hand from Fig. 5 as a sequence and on the other from FIG. 6 with respect to the diagram shown. 2. Taking the initial assumption of an amount of fuel J m F / i to be injected, as shown in FIG. 7, a temporal hydraulic injection curve is calculated by means of an injector model m F / i ((p), which is shown in FIG. 9 or FIG. 10. With the hydraulic injection curve as input variable, the resulting heat release Qb, Modei, i is calculated by means of a multi-part heat release model, wherein the heat release model can for example have a subdivision into different combustion phases such as premixed and diffusion-controlled combustion, see also FIG. 11 or FIG. 12.
4. Der resultierende Verlauf der Wärmefreisetzung wird unter Berücksichtigung eines Einspritzmengeniterationskriteriums mit dem Soll-Summenbrennverlauf verglichen. Wird das Einspritzmengeniterationskriterium erfüllt, so ist die erste Einspritzmenge erfolgreich gefunden worden. Falls das Einspritzmengeniterationskriterium noch nicht erfüllt werden kann, wird auf Basis der sich ergebenden Abweichung eine neue Kraftstoffmenge generiert. Mit dieser neuen Kraftstoffmenge werden wiederum erneut die Punkte 2. und 3. durchlaufen. Diese Iteration wiederholt sich, bis das Einspritzmengeniterationskriterium erfüllt wird. Aus dieser Iteration ergibt sich außerdem ein für den Vorsteueralgorithmus fiktives Verbrennungsende MFBX/i , wobei dieser Punkt physikalisch nicht das Verbrennungsende darstellt, sondern lediglich der Punkt, bis zu dem die Verbrennung durch den Algorithmus überwacht wird. Jeglicher Verbrennungsanteil nach diesem Punkt wird anhand der nachfolgenden Verbrennungen berechnet. Dieses ist in den Figuren 13 und 14 dargestellt. Wird nun durch den Vergleich zwischen Soll-Brennverlauf und modellierter Gesamtwärmefreisetzung, zum Beispiel aus Superposition der bisherigen Einzelverbrennungen, festgestellt, dass weitere Verbrennungen benötigt werden, so wird das zuvor beschriebene fiktive Verbrennungsende der aktuellen Einspritzung mit dem geforderten Verbrennungsbeginn SOCX/i der nächsten Einspritzung gleichgesetzt. Dies ist dann der Ausgangspunkt zur Berechnung der nächsten Einspritzung, wie es in Fig. 15 und Fig. 16 dargestellt ist. Auf diese Weise wird neben den Einspritzzeiten und Mengen auch die Anzahl der benötigten Einspritzungen automatisch durch den Algorithmus generiert. Nachfolgend folgen weitere Erläuterungen bei der Diskussion des Einspritzmengeniterationskriteriums. 4. The resulting course of the heat release is compared with the target cumulative combustion curve taking into account an injection quantity iteration criterion. Will the injection quantity iteration criterion fulfilled, the first injection quantity has been found successfully. If the injection quantity iteration criterion can not yet be met, a new fuel quantity is generated on the basis of the resulting deviation. With this new amount of fuel again points 2 and 3 will go through again. This iteration repeats until the injection quantity iteration criterion is met. From this iteration also results in a fictitious combustion end MFB X / i for the pilot control algorithm, which point physically does not represent the end of combustion, but only the point to which combustion is monitored by the algorithm. Any incineration share after this point will be calculated on the basis of the subsequent burns. This is shown in FIGS. 13 and 14. If it is determined by the comparison between the desired combustion profile and the modeled total heat release, for example from the superposition of the previous individual combustions, that further combustions are required, then the above-described fictitious combustion end of the current injection with the required start of combustion SOC X / i of the next injection equated. This is then the starting point for calculating the next injection, as shown in FIG. 15 and FIG. 16. In this way, besides the injection times and quantities, the number of required injections is automatically generated by the algorithm. Further explanations follow in the discussion of the injection quantity iteration criterion.
Gemäß einer Ausgestaltung werden auch die elektrischen Signale wie zum Beispiel relevante Größen für die Verarbeitung im Motorsteuergerät für den Beginn SOQ+i und die Dauer ETeiectr,i für jeden einzelnen Einspritzevent durch ein Injektor-Modell berechnet, wie es beispielweise aus Fig. 17 und Fig. 18 zu entnehmen ist. According to one embodiment, the electrical signals, such as relevant variables for processing in the engine control unit for starting SOQ + i and the duration ET e i e ctr, i are calculated for each individual injection event by an injector model, as for example, from Fig 17 and Fig. 18 can be seen.
Entsprechend der Schrittabfolge 2. - 4. baut sich sukzessive ein Einspritzprofil auf, welches sich im Allgemeinen aus mehreren Einspritzungen zusammensetzt. So ergibt sich ein modellierter Gesamtwärmefreisetzungs- verlauf, der sich aus der Überlagerung der zu den jeweiligen Einzeleinsprit- zungen gehörigen Wärmefreisetzung ergibt. Dieser Einspritzprofilaufbau findet solange statt, bis sich der resultierende Gesamtwärmefreisetzungsverlauf dem Soll-Summenbrennverlauf entsprechend des Einspritzmengen- iterationskriteriums hinreichend genau angenähert hat, was in den Fign. 19 bis 22 dargestellt ist. In accordance with the sequence of steps 2. 4, an injection profile, which is generally composed of several injections, builds up successively. This results in a modeled overall heat release process, which results from the superimposition of the respective individual injections. resulting in heat release. This injection profile build-up takes place until the resulting overall heat release curve has approached the target cumulative combustion curve in accordance with the injection quantity iteration criterion with sufficient accuracy, which is shown in FIGS. 19 to 22 is shown.
Im Folgenden wird nochmals auf das Einspritzmengeniterationskriterium eingegangen : für die iterative Berechnung der jeweiligen Einzeleinspritzung innerhalb des gesamten Einspritzprofils wird ein Iterationskrite- rium/Iterationsverfahren benötigt, welches i. die aktuelle Einzeleinspritzmenge iterativ anpasst, The injection quantity iteration criterion will be discussed again below. For the iterative calculation of the respective individual injection within the entire injection profile, an iteration criterion / iteration method is required, which i. iteratively adjusts the current single injection quantity,
ii. die aktuelle Einzeleinspritzmenge hinsichtlich eines Qualitätskriteriums bewertet und somit die Iteration abschließt. ii. evaluates the current single injection quantity in terms of a quality criterion and thus concludes the iteration.
Die Einzeleinspritzmenge wird vorzugsweise basierend auf der Abweichung zwischen Soll-Summen-brennverlauf und modellierten Gesamtwärmefreisetzungsverlauf im Wirkbereich der jeweiligen, zur aktuellen Einzeleinspritzung gehörenden Wärmefreisetzung angepasst. Dabei wird dieser Wirkbereich in mehrere Teilwirkbereiche entsprechend des normalisierten Kraftstoff umsatz- fortschrittes, als Mass Fraction Burned (MFB) bezeichnet, diskretisiert. Ein erster Teilwirkbereich kann sich somit beispielsweise auf den Bereich MFBO - MFB30 erstrecken, d .h. den Kurbelwellenwinkelbereich (in Grad) zwischen dem Punkt, in dem 0 % der Einzeleinspritzmenge umgesetzt wurde, bis zu dem Punkt, in dem 30 % der Einzeleinspritzmenge umgesetzt wurde (also Abstand zwischen zwei Winkelpositionen der Kurbelwellenstellung . Innerhalb dieses Teilwirkbereiches wird die durchschnittliche Abweichung zwischen Soll-Summenbrennverlauf und modellierten Gesamtwärmefreisetzungsverlauf bestimmt. Über diese Abweichung wird schließlich die erforderliche Korrektur der Einzeleinspritzmenge berechnet, um die derzeitige durchschnittliche Abweichung zu verkleinern. Mit der korrigierten Einzeleinspritzmenge wird erneut der modellierte Gesamtwärmefreisetzungsverlauf berechnet und erneut wird die Abweichung geprüft. Diese Iteration wird solange durchgeführt, bis eine Einzeleinspritzmenge gefunden wurde, die dazu führt, dass die Abweichung innerhalb eines zulässigen Wertebereiches liegt. Das Ende des derzeitigen Teilwirkbereiches, auf dem die passende Einzeleinspritzmenge gefunden wurde, stellt dann zugleich den Brennbeginn für die nächste Einzeleinspritzmenge dar. The individual injection quantity is preferably adjusted on the basis of the deviation between the nominal sum-combustion profile and the modeled total heat release profile in the effective range of the respective heat release associated with the current individual injection. In this case, this effective range is discretized into several partial effective ranges corresponding to the normalized fuel sales progress, referred to as mass fraction burned (MFB). A first partial active area can thus extend, for example, to the area MFBO - MFB30, ie. the crankshaft angle range (in degrees) between the point at which 0% of the single injection amount has been converted to the point where 30% of the single injection quantity has been converted (ie, the distance between two angular positions of the crankshaft position.) Finally, the corrected single injection quantity is used to recalculate the modeled total heat release history, and again the deviation is checked. until a single injection amount has been found, which causes the deviation within a permissible value range. The end of the current partial effective range, on which the appropriate individual injection quantity was found, then also represents the start of combustion for the next individual injection quantity.
Führt die Einzeleinspritzmengenkorrektur jedoch dazu, dass zwar innerhalb des Teilwirkbereiches die Abweichung klein genug wird, aber die iterierte Einzeleinspritzmenge nun größer als die maximale Gesamteinspritzmenge ist, was zum Beispiel durch den Soll-Summenbrennverlauf festgelegt ist, so wird der Teilwirkbereich erweitert, z. B. MFBO - MFB40. Muss der Teilwirkbereich infolge des beschriebenen Mechanismus auf MFBO - MFB100 erweitert werden, d .h. die Einzeleinspritzung bezieht sich auf einen Wirkbereich, der sich bis zum Arbeitszyklusende erstreckt, so ist damit die letzte benötigte Einzeleinspritzung für den aktuellen Arbeitszyklus identifiziert. Das gesamte Einspritzprofil ist dann ermittelt. If, however, the individual injection quantity correction leads to the deviation becoming small enough within the partial effective range, but the iterated individual injection quantity is now greater than the maximum total injection quantity, which is determined, for example, by the nominal cumulative combustion profile, then the partial effective range is widened, e.g. MFBO - MFB40. Due to the described mechanism, the partial effective area has to be extended to MFBO - MFB100, i. E. the single injection refers to an effective range extending to the end of the working cycle, thus identifying the last single injection required for the current working cycle. The entire injection profile is then determined.
Fig . 23 stellt schematisch die Iterative Vorgehensweise zur Ermittlung des gesamten Einspritzprofils dar. Ein übergeordneter Iterationskreis wird solange verfolgt beziehungsweise Einspritzungen werden solange hinzugefügt, bis die Superposition der bisherigen Einspritzungen zu einer hinreichenden Annäherung an den Soll-Brennverlauf führt. Dabei muss jede einzelne Einspritzung ebenfalls iterativ bestimmt werden. Das Ergebnis einer jeden Einzeleinspritziteration ist neben der einzuspritzenden Kraftstoffmenge auch der geforderte Brennbeginn der jeweils nächsten Einspritzung . Fig. FIG. 23 schematically illustrates the iterative procedure for determining the entire injection profile. A higher-order iteration circle is tracked as long as injections are added until the superposition of the previous injections leads to a sufficient approximation to the desired combustion profile. Each individual injection must also be determined iteratively. The result of each individual injection iteration is, in addition to the amount of fuel to be injected, the required start of combustion of the next injection.
Fig . 24 bis Fig . 28 zeigen verschiedene Simulationsergebnisse, die jeweils aufzeigen, dass durch die Vorsteuerung die Ergebnisse eine hinreichende Genauigkeit erhalten, die eine echtzeitbasierte Verbrennungsratenregelung insbesondere im transienten Bereich ermöglicht. Fig. 24 to FIG. 28 show different simulation results, each of which shows that the pre-control gives the results sufficient accuracy that enables real-time-based combustion rate control, in particular in the transient range.
Einzelne bevorzugte Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend aufgeführten Merkmalsgruppen : Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine mit einer echt- zeitfähigen Vorsteuerung eines Einspritzprofils zur Verwendung zumindest in einem transienten Betriebsbereich der Verbrennungskraftmaschine, wobei die Vorsteuerung das Einspritzprofil iterativ über ein modellbasiertes Verbrennungsprozessmodell ermittelt. Individual preferred embodiments of the invention result from the following feature groups: Method for operating an internal combustion engine having a real-time precontrol of an injection profile for use at least in a transient operating range of the internal combustion engine, wherein the pilot control iteratively determines the injection profile via a model-based combustion process model.
Verfahren mit einer Vorsteuerung nach Ziffer 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsteuerung das Einspritzprofil an eine Verbrennungsratenregelung übergibt, wobei in dem transienten Betriebsbereich die Verbrennungsratenregelung echtzeitbasiert arbeitet. Method with a pilot control according to item 1, characterized in that the pilot control passes the injection profile to a combustion rate control, wherein in the transient operating range, the combustion rate control operates real-time based.
Verfahren mit einer Vorsteuerung nach Ziffer 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsteuerung in dem transienten Betriebsbereich echtzeitbasiert arbeitet, wobei das von dieser ermittelte Einspritzprofil direkt mittels einer Einspritzvorrichtung unter eventueller Umgehung einer Regelung umgesetzt wird. Method with a feedforward control according to item 1, characterized in that the feedforward control operates in the transient operating range real-time based, wherein the injection profile determined by this is implemented directly by means of an injection device with possible circumvention of a control.
Verfahren mit einer Vorsteuerung nach einer der vorhergehenden Ziffern, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsteuerung iterativ einen Druckverlauf in einem Zylinder der Verbrennungskraftmaschine berechnet, wobei der Druckverlauf mittels dreier Abschnitte umfassend eine polytrope Kompression, einen Druckanstieg, vorzugsweise einen konstanter Druckanstieg und eine polytrope Expansion berechnet wird. Method with a pilot control according to one of the preceding figures, characterized in that the pilot control iteratively calculates a pressure curve in a cylinder of the internal combustion engine, wherein the pressure curve by means of three sections comprising a polytrope compression, a pressure increase, preferably a constant pressure increase and a polytropic expansion is calculated ,
Verfahren nach einer der vorhergehenden Ziffern, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der modellbasierten Vorsteuerung ein Einspritzprofil umfassend Anzahl, Zeitpunkte, Mengen und Raildruck der Einspritzungen in Abhängigkeit von einem derzeitigen Motorbetriebspunkt berechnet wird . Method according to one of the preceding figures, characterized in that by means of the model-based precontrol an injection profile comprising number, times, quantities and rail pressure of the injections is calculated as a function of a current engine operating point.
Verfahren nach Ziffer 5, dadurch gekennzeichnet, dass seitens der Vorsteuerung eine zweite Iteration zur Ermittlung eines angepassten betriebspunktabhängigen Raildrucks erfolgt, der bei der Ermittlung des Einspritzprofils eingeht. Verfahren nach Ziffer 6, dadurch gekennzeichnet, dass während der Iteration eine Expansionsphase, vorzugsweise die polytrope Expansion testweise eingeleitet wird, um zu prüfen, ob ein vorgegebener indizierter Mitteldruck pmi erreicht wird. Method according to item 5, characterized in that on the part of the pilot control, a second iteration for determining an adjusted operating point-dependent rail pressure takes place, which is received in the determination of the injection profile. Method according to item 6, characterized in that an expansion phase, preferably the polytropic expansion, is introduced as a test during the iteration in order to check whether a predetermined indicated mean pressure p mi is reached.
Steuergerät einer Verbrennungskraftmaschine aufweisend eine echtzeit- basierte Vorsteuerung eines Einspritzprofils gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, sowie mit einer Iteration hierzu mittels eines modellbasierten Verbrennungsprozessmodells, wobei das Verbrennungsprozessmodell zumindest ein Kraftstoffinjektormodell, ein Zündverzugszeit- modell und ein Verbrennungswärmefreisetzungsmodell umfasst. Control unit of an internal combustion engine having a real-time based pilot control of an injection profile according to one of the preceding claims, and with an iteration for this purpose by means of a model-based combustion process model, the combustion process model comprises at least one fuel injector model, an ignition delay time model and a combustion heat release model.
Steuergerät nach Ziffer 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät mit anderen Steuergeräten der Verbrennungskraftmaschine gekoppelt ist, wobei eine Verbrennungsratenregelung hinterlegt ist, der die Vorsteuerung vorgelagert ist. Control unit according to item 8, characterized in that the control unit is coupled to other control units of the internal combustion engine, wherein a combustion rate control is deposited, upstream of the pilot control.
Steuergerät nach Ziffer 9, dadurch gekennzeichnet dass das Steuergerät die Vorsteuerung implementiert aufweist, während ein anderes Steuergerät der Verbrennungskraftmaschine eine Verbrennungsratenregelung implementiert aufweist, wobei beide Steuergeräte zum Datenaustausch von der Vorsteuerung zur Verbrennungsratenregelung miteinander gekoppelt sind. Control unit according to item 9, characterized in that the control unit has the feedforward control implemented, while another control unit of the internal combustion engine has implemented a combustion rate control, both control units for data exchange from the feedforward control for combustion rate control are coupled together.
Steuergerät nach einer der vorhergehenden Ziffern, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsteuerung als modellbasierter Vorsteueralgorithmus zur dieselmotorischen Verbrennungsratenregelung durch digitale Mehrfacheinspritzung in das Steuergerät implementiert ist. Control unit according to one of the preceding figures, characterized in that the pilot control is implemented as a model-based pilot control algorithm for diesel engine combustion rate control by digital multiple injection into the control unit.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine mit einer Steuerung zur intermittierenden Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine während einer Einspritzphase eines Arbeitszyklus der Verbrennungskraftmaschine zur Erzielung eines vorgebbaren Gasdruckverlaufs im Brennraum während des Arbeitszyklus, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , 1. A method for operating an internal combustion engine with a controller for the intermittent injection of fuel into the combustion chamber of the internal combustion engine during an injection phase of a working cycle of the internal combustion engine to achieve a predeterminable gas pressure profile in the combustion chamber during the work cycle, d a d e r c h e c e n e c e n e,
dass die Steuerung der Kraftstoff-Einspritzung innerhalb des aktuellen Arbeitszyklus anhand eines Verbrennungsprozessmodells iterativ in Echtzeit erfolgt, so dass sich im Wesentlichen der für den aktuellen Arbeitszyklus vorgegebene Gasdruckverlauf im Brennraum der Verbrennungskraftmaschine ergibt.  that the control of the fuel injection within the current working cycle based on a combustion process model iteratively in real time, so that essentially results for the current working cycle predetermined gas pressure curve in the combustion chamber of the internal combustion engine.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskraftmaschine in einem transienten Betriebsbereich arbeitet. 2. The method according to claim 1, characterized in that the internal combustion engine operates in a transient operating range.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbrennungsprozessmodell ein Kraftstoffinjektormodell und/oder ein Zündverzugszeitmodell und/oder ein Verbrennungswärmefreisetzungs- modell umfasst. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the combustion process model comprises a fuel injector model and / or an ignition delay time model and / or a combustion heat release model.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gasdruckverlauf mit drei Zeitabschnitten vorgegeben wird, wobei der erste Zeitabschnitt einen insbesondere polytropen Druckanstieg auf Grund einer Kompression, der zweite Zeitabschnitt einen Druckanstieg, insbesondere einen im Wesentlichen linearen Druckanstieg auf Grund eines Verbrennungsprozesses und der dritte Zeitabschnitt einen insbesondere polytropen Druckabfall auf Grund einer Expansion repräsentiert. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that a gas pressure profile is predetermined with three time periods, wherein the first period of time in particular a polytropic pressure increase due to compression, the second time period, a pressure increase, in particular a substantially linear pressure increase due to of a combustion process and the third time period represents a particular polytropic pressure drop due to expansion.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die intermittierende Kraftstoff-Einspritzung zur Erzielung des Druckverlaufs in dessen zweiten Zeitabschnitt iterativ in Echtzeit gesteuert ist. 5. The method according to claim 4, characterized in that the intermittent fuel injection to achieve the pressure curve in its second period is iteratively controlled in real time.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoff- Einspritzphase eines jeden Arbeitszyklus mehrere gleich oder unterschiedlich lang andauernde Einspritzintervalle mit im Wesentlichen gleicher Kraftstoff- Einspritzrate umfasst, wobei die Länge des ersten Einspritzintervalls vorgegeben ist, anhand des Verbrennungsprozessmodells der sich aus der ersten eingespritzten Kraftstoffteilmenge ergebende Druckanstieg prognostiziert wird, der prognostizierte anfängliche Druckanstieg mit dem anfänglichen Druckanstieg des zweiten Zeitabschnitts des vorgegebenen Gasdruckverlaufs verglichen wird, die Länge des zweiten Einspritzintervalls anhand des Verbrennungsprozessmodells derart bestimmt wird, dass eine eventuelle Abweichung des prognostizierten anfänglichen Druckanstiegs vom anfänglichen Druckanstieg des zweiten Zeitabschnitts des vorgegebenen Gasdruckverlaufs kompensiert wird, und dass die zuvor genannte Iteration für mindestens eines der nachfolgenden Einspritzintervalle, insbesondere für sämtliche nachfolgenden Einspritzintervalle der Kraftstoff- Einspritzphase des aktuellen Arbeitszyklus durchgeführt werden. 6. The method according to claim 5, characterized in that the fuel injection phase of each working cycle comprises a plurality of equally or differently long lasting injection intervals with substantially the same fuel injection rate, wherein the length of the first injection interval is predetermined based on the combustion process model resulting from the The predicted initial pressure rise is compared to the initial pressure rise of the second time interval of the predetermined gas pressure profile, the length of the second injection interval is determined from the combustion process model such that any deviation of the predicted initial pressure rise from the initial pressure increase of the second Time portion of the predetermined gas pressure curve is compensated, and that the aforementioned iteration for at least one of the subsequent Einspritzintint ervalle, in particular for all subsequent injection intervals of the fuel injection phase of the current work cycle are performed.
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