WO2016005414A1 - Verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine, steuereinrichtung für eine brennkraftmaschine und brennkraftmaschine - Google Patents

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Jörg REMELE
Tobias Frank
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    • F02D2250/38—Control for minimising smoke emissions, e.g. by applying smoke limitations on the fuel injection amount

Definitions

  • deviations of a physical target variable from a nominal value are usually compensated for by only one controller intervention for exactly one manipulated variable. This implies that the deviation is not necessarily compensated in a manner which is optimal for the overall system of the internal combustion engine, for example in terms of operating costs, in particular fuel consumption of the internal combustion engine, or with regard to Emissions of the internal combustion engine.
  • the various manipulated variables that are influenced to set the individual physical target variables interact with each other in
  • a physical target variable is understood to mean in particular, in general, a variable which does not directly and / or directly influence the internal combustion engine by influencing a combustion engine Stellers can be adjusted, but rather sets in the operation of the internal combustion engine by complex interaction of a variety of parameters and / or control variables.
  • Setpoints act on which a manipulated variable is regulated. But it is also possible to control a manipulated variable based on a manipulated variable value.
  • the search of manipulated variable values, with which the at least one condition is fulfilled by the at least one physical target variable preferably takes place iteratively, in particular in each case
  • the target size is better fulfilled than at the beginning of the iteration.
  • a limit can be defined, which results from the design of the internal combustion engine, and which must not be exceeded if a permanently damage-free operation of the internal combustion engine should be guaranteed.
  • Conditions an exhaust gas mass flow and an exhaust gas temperature can be defined, for example, as a function of an appropriately desired operation of an exhaust gas aftertreatment, for example in order to regenerate a particulate filter or to provide favorable conditions for a selective catalytic reduction of nitrogen oxides.
  • a condition to the output torque of the internal combustion engine can for example be specified as load request by an operator of the engine, or it may be due to external conditions, such as the operation of the engine as a drive device for a generator for generating electricity and for feeding electrical power into a power grid , revealed. In this case, the moment of the internal combustion engine to be dispensed can be predetermined by conditions prevailing in the power grid.
  • control variables are selected from a group consisting of a boost pressure, a charge air temperature, a speed of the internal combustion engine, a combustion air-fuel ratio, which also as lambda value an exhaust gas recirculation rate, an injection start-in particular a main injection-a quantity of fuel supplied to a combustion chamber of the internal combustion engine, in particular fuel mass, a number of fired combustion chambers of the internal combustion engine, a pressure designated as rail pressure in a common high-pressure accumulator for a plurality of injection devices, in particular injectors, the internal combustion engine, and a metered amount of reducing agent, in particular for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides, in an exhaust gas stream.
  • the control variables are selected from a group consisting of a boost pressure, a charge air temperature, a speed of the internal combustion engine, a combustion air-fuel ratio, which also as lambda value an exhaust gas recirculation rate, an injection start-in particular a main injection-a quantity of fuel supplied to a combustion chamber of the internal combustion engine,
  • High pressure pump, and / or by driving the high-pressure pump itself, are influenced.
  • a metered amount of reducing agent in an exhaust gas stream can be influenced by driving a metering device for the reducing agent or for a reducing agent precursor product.
  • the influencing of a plurality of such manipulated variables, in particular of all manipulated variables, in turn influences the at least one physical target variable.
  • An embodiment of the method is also preferred, which is characterized in that an image is used which is selected from a group consisting of a physical or thermodynamic function, an approximate mathematical function, in particular a polynomial, an exponential function or a vibe function , or a plurality of vibe functions, a statistical model, a look-up table, and a neural network, in particular an artificial neural network.
  • an image is used which is selected from a group consisting of a physical or thermodynamic function, an approximate mathematical function, in particular a polynomial, an exponential function or a vibe function , or a plurality of vibe functions, a statistical model, a look-up table, and a neural network, in particular an artificial neural network.
  • Charge air pressure p 2 a lambda value ⁇ , a charge air temperature T 2 , a humidity F, a speed n of an internal combustion engine, an injection start BOI, an injected Fuel mass m K s, and a rail pressure R represent. If a polynomial is used as an approximate mathematical function, this can have the following form, for example:
  • the at least one mapping is preferably obtained from computer-aided simulations of the internal combustion engine and / or from bench tests.
  • a computer-aided determination of a map for standard conditions can first be carried out followed by a computer-aided determination of the image taking into account non-standard conditions. Afterwards it is possible that the picture on the
  • An embodiment of the method is preferred, which is characterized in that a plurality of conditions are met simultaneously with a plurality of physical target variables by determining suitable manipulated variable values. This allows various requirements for the internal combustion engine, for example with regard to a
  • Optimized nitrogen oxide emission and blackening of the exhaust gas of the internal combustion engine wherein preferably further at the same time a consumption of the internal combustion engine minimizes fuel and / or a cylinder pressure of the same is limited / are.
  • the asymmetric control structure in the impermissible range of the target / actual deviation preferably has a high control gain, so that a very fast and reliable limitation results.
  • An overshoot above the limit in the direction of the permissible deviation is deliberately accepted as this does not endanger the internal combustion engine - typically as opposed to exceeding the limit in the impermissible direction.
  • J is the measure of quality
  • t is a moment in a the optimization of the
  • the set values occurring in the quality measure J are in particular specified from outside the system of the internal combustion engine, for example by legal specifications.
  • the instantaneous actual values of the physical target variables occurring in the quality measure J are calculated by the previously described mappings. These figures depend on the manipulated variables - as already explained above.
  • the dimension by which the limitation is reduced represents just the size with respect to which the limitation is to take place. If several physical target values to be limited are to be taken into account, a limit can be set with a further reduced one
  • An embodiment of the method is also preferred, which is characterized in that conditions are set at different times to different physical target variables. In particular, it is possible that at different times different too
  • the determination structure is comparatively easy to implement because of the control and / or control functionality of the already existing and known rule or function
  • An adjusting devices are controlled, ie values for the various manipulated variables, determined. It is advantageous here that these manipulated variable values are determined separately from one another by means of the determination structure as a function of one another and not, as before, separately.
  • a "setting” is understood to mean, in particular, a controller without feedback It is possible that certain manipulated variables are controlled while other manipulated variables are being controlled
  • An embodiment of the method is also preferred, which is characterized in that correction values for manipulated variables are calculated in the context of the method on the basis of the mapping as manipulated variable values which are taken into account for standard values for the manipulated variables.
  • standard values are preferably read from standard characteristic fields, which are then corrected by calculating the correction values.
  • the correction values can be determined as correction amounts or correction factors to be taken into account for the standard values.
  • the subject matter of the invention is preferably also a computer program product which is distinguished by machine-readable instructions, on the basis of which a method according to one of the previously described embodiments is carried out, if the
  • the internal combustion engine in this case preferably drives a generator. Also a stationary application of
  • Figure 2 is a schematic representation of a basic operation of a
  • Figure 3 is a schematic representation of a first embodiment of a method for
  • FIG. 6 shows a further schematic representation of a method for operating a
  • Injection amount an injection start, an injection duration, an injection end or a similar size, a throttle valve or an exhaust gas recirculation flap in an exhaust gas recirculation path, such as a dispenser flap, an injection device for injecting a
  • Internal combustion engine 1 in a translation step 17 transferred to a meta-level and as conditions to at least one image, which at least one physical target size of the internal combustion engine in response to a plurality of control variables of
  • the meta-level formulation chosen in translation step 17 can be consistently maintained in the use of controller design, with no need to translate into a mapping of a plurality of maps.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a first embodiment of a
  • a not yet shown sensor actuator correction module is interposed, which performs on the basis of physical submodels an adjustment and Meßwert bodikorrektur. This can be provided in particular in order to minimize a series spread of different internal combustion engines 1 with each other.
  • 4 shows a schematic representation of a second embodiment of the method. Identical and functionally identical elements are provided with the same reference numerals, so that reference is made to the preceding description. Unlike the
  • an overall model 27 of the internal combustion engine 1 wherein the overall model in particular comprises a modeling of the control elements 5 and preferably further manipulated variables and / or physical target variables of the internal combustion engine 1.
  • the overall model 27 has a mathematical hyperspace which is spanned by physical target variables and manipulated variables of the internal combustion engine 1.
  • Evaluation step 29 can be evaluated in terms of quality measures and / or limitations.
  • the steps shown here are preferably carried out iteratively and particularly preferably permanently during the operation of the internal combustion engine 1, so that ultimately an optimization of the manipulated variable values for controlling the adjusting elements 5 by the overall model 27 takes place.
  • the use of a detailed, dynamic engine model, namely the overall model 27, possible, with an actuator dynamics and / or actuator properties of the adjusting elements 5 can be considered.
  • the overall model 27 preferably includes all sizes that are to be limited and / or optimized. It is such a numerical optimization method on the controller 3 can be implemented. This can be based in particular on a gradient descent.
  • Internal combustion engine 1 read. These manipulated variables include, for example, a
  • correction maps 35 which are also read in particular as a function of the environmental vector z. Additionally or alternatively, it is possible that correction characteristics 35 depending on other or further conditions, such as aging conditions of components of
  • Internal combustion engine 1 such as a nitrogen oxide concentration in the exhaust gas or the torque M or a load request.
  • a current consumption of fuel may also be included in the measurement vector x.
  • virtual sensors which calculate specific physical target variables of the internal combustion engine 1 from measured and / or manipulated variables of the internal combustion engine 1 using a model, without these being measured directly would.
  • the instantaneous consumption of the internal combustion engine 1 is calculated by means of such a virtual sensor.
  • Components of the measuring vector x can at the same time be components of the environmental vector z, so that they then enter the regulation of the internal combustion engine 1 again.
  • FIG. 7 shows a schematic representation of a map A between a plurality of physical target variables and a plurality of control variables of the internal combustion engine 1, which can be used in one embodiment of a method according to the invention for operating the internal combustion engine 1.
  • an input space U is shown on the left in FIG. 7, which is defined here by way of example by three manipulated variables, namely a flap position EGR of an exhaust gas recirculation flap, a boost pressure p L and an injection start BOI.
  • the input space U is preferably spanned by a larger number of manipulated variables, the number here only the better
  • a target space or output space X is shown, the physical target variables of the internal combustion engine 1, here of a nitrogen oxide concentration [NO x ], a
  • the internal combustion engine 1 is preferably operated as close as possible to the corresponding legal limit values in order to prevent the Do not unnecessarily reduce the efficiency.
  • An operating point of the internal combustion engine 1 is therefore preferably regulated to the predetermined desired values.
  • FIG. 8 shows a schematic representation of an embodiment of the method on the basis of a two-dimensional diagram.
  • the diagram is - for the sake of simplicity - spanned by two manipulated variables of the internal combustion engine 1, namely a first manipulated variable ui and a second manipulated variable u 2 .
  • Contained in the diagram are contour lines of a desired / actual deviation AG for a physical target variable G, which is also referred to below as
  • a meaningful limit in particular a lower limit for the divisor, is preferably specified, in order to avoid division by zero and thus an excess of the step size.
  • Input variables enter into the first control structure 53 a desired value Gs for the physical quantity G, an actual value Gi for the physical quantity G, and a current manipulated variable vector u.
  • the setpoint value Gs can be fixed and / or defined depending on the operating point, for example based on legal requirements. In the latter case, it is preferably read from a map.
  • the actual value Gi is preferably measured either directly by means of a suitable sensor, or-in particular by a model-on the basis of the current manipulated variables and / or measured variables of other sensors which do not directly measure the size G.
  • a target / actual deviation AG (u) is calculated, wherein the
  • Detection structure 57 in addition to the manipulated variable vector u and environmental or
  • Gradient forming element 59 a - preferably normalized - gradient, thus in particular the unit vector grad e (G (u)) of the gradient grad (G (u)) of the size G formed.
  • the target / actual deviation AG (u) is multiplied, and the product thus obtained, which corresponds precisely to one term of the sum of equation (2), is fed to a regulator 63, which depends on the product one
  • the first control structure 53 is suitable and set up in order to optimize the physical variable G to the desired value Gs.
  • a nitrogen oxide concentration [NO x ] in the exhaust gas of the internal combustion engine 1 is controlled by means of the first control structure 53.
  • Control structure 65 according to FIG. 9b) is preferably used for physical quantities G which are typically not accessible to a direct measurement, it being favorable to use the determination structure 57 and in particular the mapping for calculating the actual value Gi. This may be, for example, a blackening of the exhaust gas of the internal combustion engine 1. Independently of the specific choice of the size G, this is preferably regulated-in particular by means of one of the control structures 53, 65 according to equation (2).
  • Equation (3) assumes that the controllers used here are designed as proportional controllers. Alternatively, at least one of the two regulators may be designed as a proportional-integral controller, as a proportional-integral-derivative controller, or in another suitable manner.
  • FIG. 10 shows a schematic detail of another embodiment of the invention
  • the manipulated variable correction vectors AUG which result from the various control structures, are summed up according to equations (3), (4) to the manipulated variable correction vector Au, that is superimposed or superimposed with one another.
  • Manipulated variable values here namely the manipulated variable vector u, separate control or
  • the current manipulated variable vector u enters at least one control or adjustment structure according to FIGS. 9 to 11.
  • further variables are included here, in particular preferably an environmental vector z, which detects ambient and / or aging influences, the torque M or the load requirement, as well as the rotational speed n of the internal combustion engine 1.
  • This information may preferably be in addition to the manipulated variable vector u, in particular into the determination structure 57 and be taken into account by it. For the sake of simplicity, this has initially been disregarded in FIGS. 9 to 11. In the illustrated
  • control structure for a further physical size is provided, which is to be limited in terms of a protective function for the internal combustion engine 1.
  • Setting structure EG4 a control structure RG4, not shown, is used, in particular as the first control structure 53 or as the second control structure 65 is formed.
  • the two adjustment structures EG3, EG4 contradict each other in their objectives: It is not at the same time possible to minimize the fuel consumption of the internal combustion engine 1 and to maximize the exhaust gas temperature. It is therefore preferably a switching device 73 is provided by means of which at least one of the adjustment structures EG3, EG4 can be switched to a common addition of the correction vectors, wherein the switching means 73 is preferably adapted to switch between the first
  • an influencing element 75 is additionally provided, in which maximum manipulated variables and / or manipulated variable stops as
  • Components of the correction vector Au ges preferably falls below a

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1) vorgeschlagen, wobei zur Steuerung oder Regelung der Brennkraftmaschine (1) wenigstens eine Abbildung (A) verwendet wird, welche wenigstens eine physikalische Zielgröße (G) der Brennkraftmaschine (1) in Abhängigkeit von einer Mehrzahl von Stellgrößen (u) der Brennkraftmaschine (1) beschreibt, wobei wenigstens eine Bedingung für die wenigstens eine physikalische Zielgröße (G) aufgestellt wird, wobei in Echtzeit anhand der Abbildung (A) Stellgrößenwerte für die Stellgrößen (u) ermittelt werden, mit denen die wenigstens eine Bedingung durch die wenigstens eine physikalische Zielgröße (A) erfüllt ist, wobei die Brennkraftmaschine (1) mit den derart ermittelten Stellgrößenwerten angesteuert wird.

Description

BESCHREIBUNG
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, Steuereinrichtung für eine Brennkraftmaschine und Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, eine
Steuereinrichtung für eine Brennkraftmaschine, und eine Brennkraftmaschine.
Beim Betrieb einer Brennkraftmaschine ist es typischerweise erforderlich, wenigstens eine physikalische Zielgröße, beispielsweise eine Stickoxid-Konzentration oder eine
Rußkonzentration im Abgas, einen Spitzendruck in einem Brennraum der Brennkraftmaschine, einen Abgasmassenstrom, eine Abgastemperatur, ein abgegebenes Moment der
Brennkraftmaschine, oder einen Brennstoffverbrauch, einzustellen, insbesondere zu steuern oder zu regeln. Gegebenenfalls ist es auch notwendig, eine solche physikalische Zielgröße auf einen - insbesondere gesetzlich vorgegebenen - Maximalwert zu begrenzen. Zusätzlich oder alternativ kann es erforderlich oder wünschenswert sein, für eine solche physikalische Zielgröße ein Extremum anzustreben, beispielsweise um einen Verbrauch der Brennkraftmaschine zu optimieren, insbesondere zu minimieren. Zur Beeinflussung einer solchen physikalischen Zielgröße wird üblicherweise eine Stellgröße, beispielsweise eine Klappenposition oder ein Parameter zur Ansteuerung eines Injektors, beeinflusst. Insbesondere werden im Betrieb der
Brennkraftmaschine typischerweise eine Mehrzahl physikalischer Zielgrößen eingestellt, wobei den jeweiligen physikalischen Zielgrößen separat zugeordnete Stellgrößen jeweils durch einzelne, separate Regelkreise beeinflusst werden. Somit werden letztlich die physikalischen Zielgrößen voneinander separat betrachtet, wobei sie jedoch tatsächlich im Motorbetrieb miteinander gekoppelt sind. Physikalische Wechselwirkungen zwischen den einzelnen physikalischen Zielgrößen werden nicht oder höchstens stark vereinfacht berücksichtigt.
Insbesondere werden Abweichungen einer physikalischen Zielgröße von einem Sollwert üblicherweise nur durch einen Reglereingriff auf genau eine Stellgröße ausgeglichen. Dies bedingt, dass die Abweichung nicht zwingend auf eine Weise ausgeglichen wird, welche für das Gesamtsystem der Brennkraftmaschine optimal ist, beispielsweise in Bezug auf Betriebskosten, insbesondere einen Verbrauch der Brennkraftmaschine an Brennstoff, oder in Hinblick auf Emissionen der Brennkraftmaschine. Die verschiedenen Stellgrößen, die zur Einstellung der einzelnen physikalischen Zielgrößen beeinflusst werden, interagieren miteinander in
hochkomplexer Weise, was durch bestehende Regel- und Steuerstrukturen nicht oder kaum berücksichtigt wird. Speziell beim Umgang mit Stellerbegrenzungen, beispielsweise einem Klappenanschlag, ist eine Betrachtung der einzelnen Stellgrößen begrenzt, da durch die
Aufteilung in voneinander separate Regel- oder Steuerstrukturen nicht alle Freiheitsgrade der Steller zum Ausgleich auftretender Abweichungen genutzt werden können.
Hinzu kommt die Problematik, dass zum Ausgleich von Umwelt- oder Alterungseinflüssen lediglich eindimensionale Ausgleichsbewegungen voneinander separater Regel- oder
Einstellstrukturen möglich sind. Umwelteinflüsse umfassen beispielsweise die Höhe oder die Umgebungstemperatur, in oder bei der die Brennkraftmaschine betrieben wird, eine
Luftfeuchtigkeit, sowie andere, entsprechende Randbedingungen, die insbesondere aus einer Umgebung der Brennkraftmaschine resultieren. Alterungseinflüsse, beispielsweise Verschleiß oder Verschmutzung, betreffen beispielsweise Injektoren, Klappen, oder ein
Abgasnachbehandlungssystem der Brennkraftmaschine. Solche Umwelt- und/oder
Alterungseinflüsse werden mithilfe einer Vielzahl von für die separaten Regel- und/oder Einstellstrukturen zur Beeinflussung der Stellgrößen jeweils aufgespannten Korrekturkennfelder berücksichtigt. Die hierdurch entstehende, kaum überschaubare Komplexität wird noch dadurch vergrößert, dass Querbeeinflussungen der einzelnen Stellgrößen und/oder physikalischen Zielgrößen nur dadurch berücksichtigt werden können, dass die Korrekturkennfelder zusätzlich noch betriebspunktabhängig bedatet sind. Damit vervielfacht sich die Anzahl und/oder Größe der Korrekturkennfelder, die nur unter sehr hohem Aufwand mit einer Vielzahl von
Prüfstandsversuchen bedatbar sind, wobei kaum vorhersagbar ist, wie die Brennkraftmaschine auf bestimmte Änderungen ihrer Betriebsbedingungen reagieren wird. Insbesondere kann kaum gewährleistet werden, dass Ausgleichsbewegungen der Brennkraftmaschine in Reaktion auf geänderte Anforderungen oder Einflüsse in einem multidimensionalen Parameterraum in eine Richtung weisen, die für das Gesamtsystem - insbesondere in Hinblick auf Emissionen und/oder einen Brennstoffverbrauch - günstig ist. Es zeigt sich somit, dass insbesondere Abweichungen der Brennkraftmaschine von einem Normbetrieb und/oder von Normumgebungsbedingungen nur durch sehr komplexe Kennfeldstrukturen ausgeglichen werden können, welche stark
interagieren. Es ist damit nicht möglich, optimale Verbrauchsbedingungen zu berücksichtigen, da diese eine sehr hohe Komplexität aufweisen. Sie sind zusätzlich in ihrer hohen
Dimensionalität kaum verständlich. Eine verbrauchsoptimierte Einstellung kann es daher mit herkömmlichen Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine prinzipiell nur für eine neue Normmaschine geben, die unter Normbedingungen betrieben wird.
Als weiteres Problem tritt hinzu, dass Anforderungen an die Brennkraftmaschine, beispielsweise gesetzliche Emissionsanforderungen, Anforderungen an die Lebensdauer, Anforderung an die Stabilität über die Betriebsdauer sowie spezifische Kundenanforderungen nur durch geeignete Bedatung der Vielzahl von Kennfeldern berücksichtigt werden können, was sehr aufwendig und nur mit einer Vielzahl von Versuchen überprüfbar ist.
Erschwerend kommt weiter hinzu, dass ein starr in Form von Kennfeldern und
Korrekturkennfeldern hinterlegtes Wissen über die Betriebsweisen der Brennkraftmaschine keine Betriebssituationen abbilden kann, welche nicht zuvor in Form von Prüfstandsversuchen und/oder Simulationen vorhergesehen worden sind. Treten solche unvorhergesehenen
Betriebssituationen auf, kann der Betrieb der Brennkraftmaschine hierauf nicht adäquat ausgerichtet werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer
Brennkraftmaschine, ein Steuergerät für eine Brennkraftmaschine, und eine Brennkraftmaschine zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.
Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zum Betreiben einer
Brennkraftmaschine geschaffen wird, bei welchem zur Steuerung oder Regelung der
Brennkraftmaschine wenigstens eine Abbildung verwendet wird, welche wenigstens eine physikalische Zielgröße der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von einer Mehrzahl von Stellgrößen der Brennkraftmaschine beschreibt. Es wird wenigstens eine Bedingung für die wenigstens eine physikalische Zielgröße aufgestellt, und es werden in Echtzeit - insbesondere in einem Steuergerät der Brennkraftmaschine - anhand der Abbildung Stellgrößenwerte für die Stellgrößen ermittelt, mit denen die wenigstens eine Bedingung durch die wenigstens eine physikalische Zielgröße erfüllt ist. Die Brennkraftmaschine wird dann mit den derart ermittelten Stellgrößenwerten angesteuert. Das Wissen über das Verhalten der Brennkraftmaschine ist somit nicht mehr in einer unübersichtlichen und verästelten Struktur von Kennfeldern und
Korrekturkennfeldern hinterlegt, sondern ist vielmehr in der wenigstens einen Abbildung enthalten, wobei diese in Abhängigkeit von einer Mehrzahl von Stellgrößen definiert ist, sodass sich das Verfahren von einer eindimensionalen Betrachtung der physikalischen Zielgröße löst, wobei vielmehr eine mehrdimensionale Betrachtung durchgeführt wird. Auf diese Weise werden Querbeeinflussung und Zusammenhänge zwischen den verschiedenen Stellgrößen und der wenigstens einen physikalischen Zielgröße berücksichtigt. Diese werden inhärent in der
Abbildung berücksichtigt, sodass es keiner Vielzahl von Korrekturkennfeldern mit hoher
Komplexität mehr bedarf. Ein stets - in Hinblick auf sich gegebenenfalls zeitlich verändernde Anforderungen - optimierter Betrieb der Brennkraftmaschine kann durch die Wahl der wenigstens einen Bedingung an die wenigstens eine physikalische Zielgröße gewährleistet werden, wobei dadurch, dass die Stellgrößenwerte zur Ansteuerung der Brennkraftmaschine derart ermittelt werden, dass die wenigstens eine Bedingung erfüllt ist, stets ein optimierter Betrieb der Brennkraftmaschine in Hinblick auf die betrachteten Anforderungen erreicht wird. Damit kann auch ein für das Gesamtsystem der Brennkraftmaschine optimales Verhalten gewährleistet werden, insbesondere wenn eine Mehrzahl von Bedingungen und/oder eine Mehrzahl von physikalischen Zielgrößen verwendet wird/werden. Dadurch, dass eine Mehrzahl von Stellgrößen in die Abbildung einbezogen ist, existieren Freiheitsgrade für eine Optimierung des Betriebs des Gesamtsystems. Dies ist insbesondere vorteilhaft bei einem Umgang mit Stellerbegrenzungen. Mithilfe des Verfahrens ist es außerdem möglich, das Verhalten einzelner Komponenten zu koordinieren, wobei mithilfe der Abbildung reale, physikalische
Systemkopplungen berücksichtigt werden. Auf diese Weise sind komplexe Reglereingriffe möglich, durch welche Abweichungen vom Sollverhalten mittels optimaler Stellereingriffe ausgeglichen werden können. Insgesamt entsteht so ein ganzheitliches Motormanagement, bei welchen die Kopplungen des Systems vollständig berücksichtigt werden können. Auch
Alterungs- und/oder Umwelteinflüsse können mithilfe der Abbildung berücksichtigt werden.
Ein wichtiger Vorteil ist insbesondere darin zu sehen, dass auf kombinatorische
Korrekturkennfelder verzichtet werden kann. Stattdessen wird eine optimale Kombination von Sollwerten nicht - wie bisher üblich - aus festen, einer bestimmten Betriebssituation angepassten Kennfeldern entnommen, sondern vielmehr zur Laufzeit gebildet, insbesondere berechnet. Durch die - vorzugsweise allgemeine - Gültigkeit der Abbildung, die auch als Motormodell aufgefasst werden kann, reagiert eine Korrektur für das System stets korrekt, ohne dass zuvor ein
Applikationsingenieur alle zu berücksichtigenden Betriebspunkte konkret anfahren müsste. Unter einer Abbildung wird hier und im Folgenden insbesondere ein mathematischer Zusammenhang zwischen einer ersten Größe, nämlich der physikalischen Zielgröße, und eine Mehrzahl von zweiten Größen, nämlich von Stellgrößen, der Brennkraftmaschine verstanden. Mithilfe eines solchen mathematischen Zusammenhangs, der nicht notwendig als analytische Funktion definiert sein muss, sondern auch als künstliches neuronales Netz, oder in Form von Look-up-Tabellen, also in Form diskretisierter Funktionswerte, gegeben sein kann, ist es insbesondere möglich, flexibel auch auf Betriebssituationen zu reagieren, die nicht in
Prüfstandsversuchen und/oder Simulationen zur Auslegung der Brennkraftmaschine
berücksichtigt wurden. Das Wissen über das Verhalten der Brennkraftmaschine manifestiert sich hier nämlich nicht in bestimmten, vorgegebenen und im Vorfeld bei der Auslegung der
Brennkraftmaschine vorhergesehenen Betriebssituationen, die in Kennfeldern und
Korrekturkennfeldern hinterlegt sind, sondern vielmehr in dem wenigstens einen
mathematischen Zusammenhang, der auch für unvorhergesehene Betriebssituationen auswertbar, gegebenenfalls interpolierbar ist. Es bedarf gerade deswegen keiner Vielzahl von Kennfeldern und Korrekturkennfeldern mehr, weil sich das Wissen über das Verhalten der
Brennkraftmaschine in dem mathematischen Zusammenhang der wenigstens einen Abbildung manifestiert.
Vorzugsweise beschreibt die wenigstens eine Abbildung die wenigstens eine physikalische Zielgröße zusätzlich oder alternativ auch in Abhängigkeit von wenigstens einer
Umweltbedingung, beispielsweise einer Umgebungstemperatur, einer geodätischen Höhe, auf welcher die Brennkraftmaschine betrieben wird, einer Luftfeuchtigkeit, und/oder einer anderen geeigneten Umgebungsbedingung. Somit können ohne weiteres und ohne zusätzliche Kennfelder oder Korrekturkennfelder auch Umgebungsbedingungen beim Betrieb der Brennkraftmaschine berücksichtigt werden. Vorzugsweise beschreibt die wenigstens eine Abbildung die wenigstens eine physikalische Zielgröße zusätzlich oder alternativ auch in Abhängigkeit von wenigstens einem
Alterungseinfluss, beispielsweise einem Verschleiß oder einer Verschmutzung eines Elements oder Teils der Brennkraftmaschine. Somit können ohne weiteres und ohne zusätzliche
Kennfelder oder Korrekturkennfelder auch Alterungseinflüsse beim Betrieb der
Brennkraftmaschine berücksichtigt werden.
Unter einer physikalischen Zielgröße wird insbesondere allgemein eine Größe verstanden, welche an der Brennkraftmaschine nicht direkt und/oder unmittelbar durch Beeinflussung eines Stellers eingestellt werden kann, sondern die sich vielmehr im Betrieb der Brennkraftmaschine durch komplexes Zusammenwirken einer Vielzahl von Parametern und/oder Stellgrößen einstellt.
Unter einer Stellgröße wird insbesondere im Vergleich hierzu eine Größe der
Brennkraftmaschine verstanden, welche unmittelbar durch Beeinflussen eines Stellelements, welches der Stellgröße zugeordnet ist, eingestellt werden kann.
Unter einer Bedingung für die wenigstens eine physikalische Zielgröße wird eine Anforderung verstanden, welche - beispielsweise durch gesetzliche Vorgabe oder durch einen Wunsch eines Betreibers der Brennkraftmaschine - an die wenigstens eine physikalische Zielgröße gestellt wird. Dabei kann es sich beispielsweise um einzuhaltende Emissionsgrenzwerte, um ein abzugebendes Sollmoment oder eine Leistungsanforderung, einen anzustrebenden
Brennstoffverbrauch, beispielsweise die Anforderung, einen minimalen Brennstoffverbrauch anzustreben, oder um eine andere geeignete Anforderung handeln, die als mathematische Bedingung an die physikalische Zielgröße ausgedrückt werden kann. Beispielsweise kann eine solche Anforderung auch eine erhöhte Abgastemperatur zur Regeneration eines Partikelfilters sein, die bedarfsgerecht und zeitabhängig aufgestellt werden kann. Eine solche Bedingung kann auch eine zulässige Einregeldauer für einen Emissionswert sein. In Hinblick auf
Emissionsanforderungen kann noch unterschieden werden zwischen solchen
Emissionsanforderungen, für die ein Gesetzgeber - gegebenenfalls betriebspunktabhängig - eine Überschreitung des Grenzwerts erlaubt, und solchen Emissionsanforderungen, bei denen keine Abweichungen zulässig sind. Eine solche Bedingung kann sich auch auf die Lebensdauer der Brennkraftmaschine beziehen, wobei sie beispielsweise einen zulässigen Spitzendruck für einen Zylinder einer als Hubkolbenmaschine ausgebildeten Brennkraftmaschine darstellt, oder eine maximale Drehzahl für einen Turbolader. Weiterhin kann sich eine solche Bedingung auf eine Stabilität der Brennkraftmaschine über ihre Betriebsdauer beziehen. Beispielsweise auf einen Drift des Funktionsverhaltens von Injektoren der Brennkraftmaschine oder auf eine Versottung eines Kühlers, insbesondere eines Abgaskühlers in einer Abgasrückführ-Einrichtung. Weiterhin kann sich eine solche Bedingung auch auf spezifische Kundenwünsche beziehen, beispielsweise in Hinblick auf einen Verbrauch der Brennkraftmaschine an Brennstoff sowie an eine Dynamik derselben, insbesondere in einem Fahrbetrieb, wenn die Brennkraftmaschine zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs verwendet wird. Unter einem Stellgrößenwert wird insbesondere ein Parameterwert verstanden, mit dem ein einer Stellgröße zugeordnetes Stellelement - mittelbar oder unmittelbar - angesteuert wird, um die Stellgröße in gewünschter Weise zu beeinflussen. Dabei kann es sich beispielsweise um
Sollwerte handeln, auf welche eine Stellgröße geregelt wird. Es ist aber auch eine Steuerung einer Stellgröße anhand eines Stellgrößenwerts möglich.
Dass die wenigstens eine Bedingung an die wenigstens eine Abbildung erfüllt ist, schließt vorzugsweise ein, dass diese Bedingung - insbesondere unter Berücksichtigung weiterer Bedingungen und/oder Nebenbedingungen - in einem Maß erfüllt ist, welches durch die weiteren Bedingungen und/oder Nebenbedingungen vorgegeben sein kann. Die Bedingung muss also nicht zwingend zu jedem Zeitpunkt in vollem Umfang erfüllt sein, sondern es können - insbesondere in Abhängigkeit weiterer Bedingungen und/oder Nebenbedingungen - Abweichungen von einer vollständigen Erfüllung der Bedingung zugelassen werden. Abhängig von der konkreten Bedingung kann aber auch ein vollständiges Erfüllen der Bedingung gefordert werden. Dies ist beispielsweise der Fall für eine Obergrenze für einen Zylinderspitzendruck, der nicht überschritten werden darf, um eine Beschädigung der Brennkraftmaschine zu vermeiden, oder für gesetzlich vorgegebene Emissionsgrenzwerte, die nicht überschritten werden dürfen. Allerdings ist es möglich, dass in einem Notfallbetrieb auch ein Überschreiten solcher
Bedingungen zeitweise zugelassen wird, wenn dies aus übergeordneten Erwägungen, beispielsweise aus Sicherheitsgründen, notwendig ist. Dass die Brennkraftmaschine mit den derart ermittelten Stellgrößenwerten angesteuert wird, bedeutet insbesondere, dass den Stellgrößen zugeordnete Stellelemente mit den
Stellgrößenwerten - mittelbar oder unmittelbar - angesteuert werden. Unter dem Begriff „Ansteuern" wird dabei sowohl eine Steuerung als auch eine Regelung verstanden.
Es ist möglich, dass eine Abbildung existiert, welche eine Mehrzahl physikalischer Zielgrößen in Abhängigkeit von einer Mehrzahl von Stellgrößen beschreibt, wobei beispielsweise eine
Abhängigkeit einer spezifischen physikalischen Zielgröße von einer Mehrzahl von Stellgrößen und anderen physikalischen Zielgrößen jeweils durch Umformen der Abbildung erhalten werden kann. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass eine Abbildung verwendet wird, welche nur eine physikalische Zielgröße in Abhängigkeit von einer Mehrzahl von Stellgrößen beschreibt. Vorzugsweise wird zur Steuerung oder Regelung der Brennkraftmaschine eine Mehrzahl von Abbildungen verwendet, sodass eine Mehrzahl physikalischer Zielgrößen durch eine Mehrzahl von Abbildungen beschrieben werden. Weiterhin wird bevorzugt eine Mehrzahl von Bedingungen an die wenigstens eine physikalische Zielgröße, vorzugsweise an eine Mehrzahl physikalischer Zielgrößen, aufgestellt, die - gegebenenfalls in verschiedenem Maße, das heißt mit verschiedener Gewichtung - erfüllt werden sollen. Um Stellgrößenwerte zu ermitteln, mit denen die wenigstens eine Abbildung durch die wenigstens eine physikalische Zielgröße erfüllt ist, werden mathematische Operationen verwendet, welche auf einem mathematischen Raum definiert sind, auf welchem auch die Abbildung definiert ist. Dieser mathematische Raum, die Abbildung und die mathematischen Operationen werden gemeinsam im Folgenden auch als„Ermittlungsstruktur" bezeichnet. Mithilfe einer solchen Ermittlungsstruktur ist es möglich, das Verhalten einzelner Komponenten zu koordinieren, wobei reale, physikalische Systemkopplungen berücksichtigt werden können. Auf diese Weise sind komplexe Reglereingriffe möglich, durch welche Abweichungen vom Sollverhalten mittels optimaler Stelleingriffe ausgeglichen werden können.
Die Abbildung ist besonders bevorzugt zwischen der wenigstens einen physikalischen Zielgröße und allen Stellgrößen der Brennkraftmaschine definiert. Auf diese Weise können
Zusammenhänge und Querbeeinflussungen zwischen allen Stellgrößen und der wenigstens eine physikalischen Zielgröße berücksichtigt werden. Wird im Rahmen des Verfahrens eine Vielzahl von physikalischen Zielgrößen der Brennkraftmaschine gesteuert oder geregelt, wobei
Abbildungen zwischen jeder dieser physikalischen Zielgrößen und allen Stellgrößen
berücksichtigt werden, ist eine besonders genaue und umfassende Betrachtung der
physikalischen Kopplung der verschiedenen Stellgrößen und physikalischen Zielgrößen möglich, sodass ein verbessertes Verhalten der gesamten Brennkraftmaschine erreicht werden kann. Dabei können Abweichungen im Sollverhalten durch die übergeordnete Betrachtung des
Gesamtsystems über weitere Bereiche ausgeglichen werden. Veränderungen in den
Umweltbedingungen können ebenfalls über weitere Bereiche ausgeglichen werden. Es ist zudem möglich, durch die übergeordnete Betrachtung des Gesamtsystems in bestimmten
Betriebsbereichen einen Verbrauchsvorteil zu erreichen. Außerdem können gegebenenfalls Alterungsreserven und Sicherheitszuschläge auf bestimmte physikalische Zielgrößen geringer gehalten werden. Katalysatoren für ein Abgasnachbehandlungssystem der Brennkraftmaschine lassen sich kleiner auslegen, da bei Erreichen einer Grenzumsatzrate automatisch ein geringerer Emissionsbereich eingeregelt werden kann, sodass der Katalysator freigefahren wird, wodurch insbesondere wieder eine Emissionsregelung möglich ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Aufsuchen von Stellgrößenwerten, mit denen die wenigstens eine Bedingung durch die wenigstens eine physikalische Zielgröße erfüllt ist, bevorzugt iterativ, wobei insbesondere in jedem
Iterationsschritt einer Mehrzahl von Iterationsschritten neue Stellgrößenwerte ermittelt werden, mit denen die Brennkraftmaschine dann angesteuert wird. Auf diese Weise wird auf der
Grundlage der wenigstens einen Abbildung und der wenigstens einen Bedingung eine
Trajektorie in einem von den Stellgrößen werten aufgespannten mathematischen Raum durchlaufen, mittels der die Brennkraftmaschine sich zu einem bestimmten Betriebspunkt, an welchem die wenigstens eine Bedingung in möglichst guter Weise erfüllt ist, hin entwickelt. Die wenigstens eine Bedingung wird also nicht schlagartig oder instantan erfüllt, sondern sie wird durch schrittweises Aufsuchen geeigneter Stellgrößenwerte in möglichst stetig steigendem Umfang erfüllt. Dabei ist es selbstverständlich möglich, dass in einzelnen Iterationsschritten - insbesondere abhängig von einem konkret angewandten Iterations- oder Optimierungsverfahren - vereinzelt Verschlechterungen auftreten, sodass die Bedingungen im Verlauf der Trajektorie in dem Raum der Stellgrößenwerte auch in schlechterem Umfang erfüllt sein kann, als in einem vorhergehenden Schritt. Die Gesamtrichtung der Trajektorie weist aber jedenfalls im zeitlichen Mittel in eine Richtung, in welcher die Bedingung an die wenigstens eine physikalische
Zielgröße besser erfüllt ist, als zu Beginn der Iteration.
Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die wenigstens eine physikalische Zielgröße ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus einer Stickoxidkonzentration im Abgas, einer Rußkonzentration im Abgas, einem Spitzendruck in einem Brennraum der Brennkraftmaschine, einem Abgasmassenstrom, einer Abgastemperatur, einem abgegebenen Moment der Brennkraftmaschine und einem Brennstoffverbrauch. Bei all diesen physikalischen Zielgrößen handelt es sich um Größen, die nicht unmittelbar durch Beeinflussung eines einzigen Stellelements der Brennkraftmaschine in vorhersehbarer Weise beeinflusst werden können, sondern die sich vielmehr in Abhängigkeit von einer komplexen Mehrzahl miteinander interagierender Stellgrößen einstellen.
Als Bedingung an eine Stickoxid-Konzentration im Abgas und/oder eine Ruß-Konzentration im Abgas kann beispielsweise ein gesetzlich vorgegebener Grenzwert formuliert werden, welcher nicht überschritten werden darf. Als Bedingung an einen Spitzendruck in dem Brennraum der
Brennkraftmaschine kann beispielsweise ein Grenzwert definiert werden, welcher aus der Bauart der Brennkraftmaschine resultiert, und der nicht überschritten werden darf, wenn ein dauerhaft beschädigungsfreier Betrieb der Brennkraftmaschine gewährleistet sein soll. Bedingungen an einen Abgasmassenstrom und eine Abgastemperatur können beispielsweise in Abhängigkeit von einem bedarfsgerecht gewünschten Betrieb einer Abgasnachbehandlung definiert werden, beispielsweise um einen Partikelfilter zu regenerieren oder möglichst günstige Bedingungen für eine selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden bereitzustellen. Eine Bedingung an das abgegebene Moment der Brennkraftmaschine kann beispielsweise als Lastanforderung durch einen Betreiber der Brennkraftmaschine vorgegeben werden, oder es kann sich aufgrund äußerer Bedingungen, beispielsweise beim Betrieb der Brennkraftmaschine als Antrieb seinrichtung für einen Generator zur Stromerzeugung und zur Einspeisung von elektrischer Leistung in ein Stromnetz, ergeben. Dabei kann das momentan abzugebende Moment der Brennkraftmaschine durch in dem Stromnetz herrschende Bedingungen vorgegeben sein. Schließlich kann eine
Bedingung an einen Brennstoffverbrauch in Form eines aufzusuchenden Minimums durch den Betreiber - beispielsweise durch Betätigen einer Eco-Mode-Taste, oder in anderer Weise aufgestellt werden.
Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Stellgrößen ausgewählt sind aus einer Gruppe bestehend aus einem Ladedruck, einer Ladeluft-Temperatur, einer Drehzahl der Brennkraftmaschine, einem Verbrennungsluft- Brennstoff-Verhältnis, das auch als Lambda-Wert bezeichnet wird, einer Abgasrückführrate, einem Spritzbeginn - insbesondere einer Haupteinspritzung -, einer einem Brennraum der Brennkraftmaschine zugeführten Brennstoffmenge, insbesondere Brennstoffmasse, einer Anzahl befeuerter Brennräume der Brennkraftmaschine, einem als Raildruck bezeichneten Druck in einem gemeinsamen Hochdruckspeicher für eine Mehrzahl von Einspritzeinrichtungen, insbesondere Injektoren, der Brennkraftmaschine, und einer Dosiermenge an Reduktionsmittel, insbesondere zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden, in einem Abgasstrom. Zusätzlich oder alternativ kann/können auch eine Voreinspritzung, insbesondere der Beginn oder die eindosierte Brennstoffmenge einer Voreinspritzung, und/oder eine Nacheinspritzung, insbesondere der Beginn oder eine eindosierte Brennstoffmenge der Nacheinspritzung, als Stellgröße(n) verwendet werden. Dabei handelt es sich um Größen, die unmittelbar durch Ansteuern speziell diesen Größen zugeordneter Stellelemente beeinflusst werden können.
Beispielsweise kann der Ladedruck durch Ansteuern einer Drosselklappe und/oder eines Verdichters, insbesondere eines Kompressors, eingestellt werden. Die Ladeluft-Temperatur kann beispielsweise durch Ansteuern eines Ladeluft-Kühlers beeinflusst werden. Die Drehzahl der Brennkraftmaschine kann beispielsweise durch Ansteuern einer Brennstoffzufuhreinrichtung, insbesondere eines Injektors, eingestellt werden. Das Verbrennungsluft-Brennsto ff- Verhältnis kann ebenfalls durch Veränderung der zugeführten Brennstoffmasse und/oder durch Einstellung der einem Brennraum zugeführten Luftmenge, beispielsweise durch Einstellen einer
Drosselklappe, beeinflusst werden. Eine Abgasrückführrate kann durch Einstellen eines in einer Abgasrückführstrecke vorgesehenen Stellelements, beispielsweise einer Abgasrückführklappe, eingestellt werden. Ein Spritzbeginn kann durch entsprechende Ansteuerung eines Injektors eingestellt werden. Die dem Brennraum der Brennkraftmaschine zugeführte Brennstoffmenge kann durch Ansteuerung einer Zuführeinrichtung, insbesondere eines Injektors, eingestellt werden. Eine Anzahl befeuerter Brennräume der Brennkraftmaschine kann entweder durch Ansteuern einer Mehrzahl von Injektoren oder durch Ansteuern von Zündeinrichtungen, welche den Brennräumen j eweils zugeordnet sind, oder durch Ansteuern von den Brennräumen j eweils zugeordneten Einlassventilen, oder durch andere geeignete Maßnahmen beeinflusst werden. Ein Raildruck kann insbesondere durch Ansteuern einer Saugdrossel stromaufwärts einer
Hochdruckpumpe, und/oder durch Ansteuern der Hochdruckpumpe selbst, beeinflusst werden. Schließlich kann eine Dosiermenge an Reduktionsmittel in einem Abgasstrom durch Ansteuern einer Dosiereinrichtung für das Reduktionsmittel oder für ein Reduktionsmittel- Vorläuferprodukt beeinflusst werden. Die Beeinflussung einer Mehrzahl solcher Stellgrößen, insbesondere aller Stellgrößen, beeinflusst wiederum die wenigstens eine physikalische Zielgröße.
Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass eine Abbildung verwendet wird, die ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus einer physikalischen oder thermodynamischen Funktion, einer approximativen mathematischen Funktion, insbesondere einem Polynom, einer Exponentialfunktion oder einer Vibe-Funktion, oder einer Mehrzahl von Vibe-Funktionen, einem statistischen Modell, einer Look-Up-Tabelle, und einem neuronalen Netz, insbesondere einem künstlichen neuronalen Netz. Die hier genannten Abbildungen sind geeignet, Zusammenhänge zwischen einer Mehrzahl von
Stellgrößen und wenigstens einer physikalischen Zielgrößen allgemein und ohne Beschränkung auf vorbestimmte, spezifische Betriebssituationen auszudrücken, wobei mit jeder dieser Abbildungen Stellgrößenwerte aufgesucht werden können, mit denen die wenigstens eine Bedingung durch die wenigstens eine physikalische Zielgröße erfüllt ist. Beispielsweise ist es möglich, eine Stickoxidkonzentration [NOx] als Funktion eines
Ladeluftdrucks p2, eines Lambda- Werts λ, einer Ladeluft-Temperatur T2, einer Feuchte F, einer Drehzahl n einer Brennkraftmaschine, eines Spritzbeginns BOI, einer eingespritzten Kraftstoffmasse mKs, und eines Rail-Drucks R darzustellen. Wird als approximative mathematische Funktion ein Polynom verwendet, kann dieses beispielsweise folgende Form haben:
[NOx] = f (p2, Ä, T2, F, n, BOI, mKS, pR) = κ1ρ2 + κ2λ + κ3Τ2 + t 4F + κ5η + κ6Β0Ι +
K7mKS + K8pR + κ9ρ2λ + κ10ρ2Τ2 + K1 p2 F + ... (a)
Wird als Abbildung eine Exponentialfunktion verwendet, kann diese beispielsweise folgende Form haben:
[NOx] = f (p2, Ä, T2, F, n, BOI, mKS, pR) = A {ßlV2 + β2λ + ß3T2 + ß4F + ß5n + ß6B0I + ß7mKS + ß8pR + β9ρ2λ + ß10p2T2 + ßuP2F + ... ) * θχρ (κ! 2 + κ2λ + κ3Τ2 + K4F + κ5η + κ6Β0Ι + K7mKS + K8pR + κ9ρ2λ + κ10ρ2 Τ2 + K1 p2F + ... ) , (b) mit einem allgemeinen Vorfaktor A und einem durch den Klammerausdruck vor der
Exponentialfunktion gegebenen, von den Funktionsargumenten abhängigen Vorfaktor. Ähnliche Ansätze können selbstverständlich auch für andere physikalische Zielgrößen in Abhängigkeit von denselben oder anderen Stellgrößen verwendet werden. Weiterhin können Kreuzterme, quadratische Terme oder Terme höherer Ordnung verwendet werden, um die physikalischen Zusammenhänge zwischen der Mehrzahl von Stellgrößen und der wenigstens einen
physikalischen Zielgröße richtig wiederzugeben. Die in den Gleichungen (a) und (b)
auftretenden Parameter K1 S K2j .. ., und/oder ßi, ß2, .. ., sowie A, legen die Zusammenhänge quantitativ fest. Somit steckt das Wissen um die verschiedenen Zusammenhänge zwischen der Mehrzahl von Stellgrößen und den physikalischen Zielgrößen insbesondere in diesen
Parametern. Einzelne Terme der Funktionen gemäß den Gleichungen (a) und (b), die aus physikalischer Sicht keinen Einfluss auf die betrachtete Größe haben und/oder vernachlässigt werden können, können in dem jeweiligen Ansatz verschwinden, beziehungsweise ein zugehöriger Parameter κ kann zu null gewählt werden. Selbstverständlich ist es möglich, auch andere, komplexere funktionale Zusammenhänge zu betrachten.
Wichtig ist, dass die gewählten Abbildungen die physikalischen Zielgrößen in Abhängigkeit von den Stellgrößen mit hinreichender Genauigkeit darstellen.
Die wenigstens eine Abbildung wird vorzugsweise aus rechnergestützten Simulationen der Brennkraftmaschine und/oder aus Prüfstandversuchen gewonnen. Insbesondere kann zunächst eine rechnergestützte Ermittlung einer Abbildung für Normbedingungen erfolgen, woran sich eine rechnergestützte Ermittlung der Abbildung unter Berücksichtigung von Nicht- Normbedingungen anschließt. Anschließend ist es möglich, dass die Abbildung auf dem
Prüfstand unter Norm- und/oder Nicht-Normbedingungen korrigiert wird. Da
Querbeeinflussungen und physikalische Zusammenhänge zwischen Stellgrößen und
physikalischen Zielgrößen sowie Alterungs- und/oder Umwelteinflüsse der Brennkraftmaschine inhärent in der Abbildung berücksichtigt werden, bedarf es keiner unüberschaubaren Vielfalt von Kennfeldern und Korrekturkennfeldern mehr. Zudem wird das Verhalten der
Brennkraftmaschine bei Abweichungen von den Normbedingungen unmittelbar verständlich, weil das Wissen hierüber inhärent in der Abbildung vorhanden ist. Randbedingungen für den Betrieb der Brennkraftmaschine, beispielsweise einzuhaltende Emissionsvorschriften, werden in einfacher Weise als Bedingungen für die wenigstens eine physikalische Zielgröße
programmierbar.
Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass eine Mehrzahl von Bedingungen an eine Mehrzahl von physikalischen Zielgrößen gleichzeitig durch Ermitteln von geeigneten Stellgrößenwerten erfüllt wird. Hierdurch können verschiedene Anforderungen an die Brennkraftmaschine, beispielsweise in Hinblick auf eine
Stickoxidemission und eine Rußkonzentration im Abgas, miteinander überlagert und gemeinsam erfüllt werden. Dabei werden die Wechselwirkungen zwischen den Größen durch die wenigstens eine Abbildung inhärent berücksichtigt. Insbesondere werden Querbeeinflussungen und
Zusammenhänge zwischen den verschiedenen physikalischen Zielgrößen inhärent
berücksichtigt, und es erfolgt eine mehrdimensionale Betrachtung der Regelung oder Einstellung aller zu regelnden oder einzustellenden Größen gemeinsam. Vorzugsweise wird dabei wenigstens eine erste physikalische Zielgröße auf einen Sollwert optimiert. Alternativ oder zusätzlich wird bevorzugt wenigstens eine zweite physikalische Zielgröße auf einen
Extremalwert eingestellt. Alternativ oder zusätzlich wird bevorzugt wenigstens eine dritte physikalische Zielgröße auf einen vorbestimmten Grenzwert begrenzt. Es ist dabei insbesondere möglich, zugleich eine Optimierung, eine Kostenfunktion und eine Schutzfunktion für die Brennkraftmaschine zu verwirklichen. Besonders bevorzugt werden zugleich eine
Stickoxidemission und eine Schwärzung des Abgases der Brennkraftmaschine optimiert, wobei vorzugsweise weiterhin zugleich ein Verbrauch der Brennkraftmaschine an Brennstoff minimiert und/oder ein Zylinderdruck derselben begrenzt wird/werden.
Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die wenigstens eine Bedingung ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus der Vorgabe eines Sollwerts, dem Einhalten eines Grenzwerts, und dem Aufsuchen eines Extremums. Es ist also möglich, dass für die physikalische Zielgröße ein Sollwert vorgegeben wird, woraufhin die physikalische Zielgröße bevorzugt auf den Sollwert optimiert wird. Beispielsweise kann eine Stickoxidemission der Brennkraftmaschine auf einen als Sollwert definierten, gesetzlichen Grenzwert oder auf einen unterhalb des gesetzlichen Grenzwerts definierten Sollwert optimiert werden.
Alternativ oder zusätzlich wird bevorzugt wenigstens eine physikalische Zielgröße auf einen Extremalwert eingestellt, insbesondere auf einen Extremalwert gesteuert oder geregelt. Dabei kann es sich bei dem Extremalwert um einen Minimalwert oder um einen Maximalwert handeln. Auf diese Weise ist es insbesondere möglich, eine Kostenfunktion für die Brennkraftmaschine zu implementieren, wobei Betriebskosten auf einen Minimalwert eingestellt werden können.
Insbesondere kann dabei der Verbrauch der Brennkraftmaschine an Brennstoff auf einen
Minimalwert geregelt oder gesteuert werden.
Es wird besonders eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch
auszeichnet, dass wenigstens eine erste physikalische Zielgröße auf einen Sollwert optimiert wird, wobei wenigstens eine zweite physikalische Zielgröße auf einen Extremalwert eingestellt wird. Dabei kann eine einfache Überlagerung der Bedingungen an die verschiedenen
physikalischen Zielgrößen erfolgen, wobei diese zugleich in möglichst guter Weise erfüllt werden. Beispielsweise ist es möglich, als zu optimierende physikalische Zielgröße die
Stickoxid- und/oder die Rußpartikelkonzentration im Abgas der Brennkraftmaschine auf einen Sollwert zu optimieren und zugleich die Betriebskosten der Brennkraftmaschine, insbesondere einen Verbrauch derselben an Brennstoff, zu minimieren. Bevorzugt wird dabei eine Gewichtung berücksichtigt, sodass mit höherer Priorität die Optimierung auf den wenigstens einen Sollwert erfolgt, wobei dann - vorzugsweise unter Beibehaltung des Sollwerts durch die Regelung - eine Minimierung der Betriebskosten, insbesondere des Verbrauchs, erfolgt. Insgesamt können so zugleich gesetzliche Grenzwerte eingehalten und minimale Kosten für den Betrieb der
Brennkraftmaschine gewährleistet werden.
Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass wenigstens eine physikalische Ausganggröße der Brennkraftmaschine auf einen
vorbestimmten Grenzwert begrenzt wird. Als Bedingung an die physikalische Zielgröße wird also gestellt, dass diese den Grenzwert einhält, insbesondere nicht erreicht oder überschreitet. Auf diese Weise kann eine Schutzfunktion für die Brennkraftmaschine implementiert werden, beispielsweise indem ein Zylinderdruck einer als Hubkolbenmaschine ausgebildeten Brennkraftmaschine unter einen maximal zulässigen Wert begrenzt wird.
Die Begrenzung von wenigstens einer physikalischen Zielgröße der Brennkraftmaschine auf einen vorherbestimmten Grenzwert wird bevorzugt durch eine asymmetrische Regelstruktur verwirklicht, wobei der Grenzwert als Sollwert in die Regelstruktur eingeht. Dabei darf ein Istwert der physikalischen Zielgröße in einer Richtung von dem Grenzwert abweichen, in der anderen jedoch nicht. Solange der Istwert von dem Sollwert in der zulässigen Richtung abweicht, erfolgt kein Eingriff durch die Regelstruktur. Weicht dagegen der Istwert in der unzulässigen Richtung von dem Sollwert ab, beispielsweise indem ein Zylinderdruck einen vorherbestimmten Maximalwert überschreitet, greift die Regelstruktur ein und beeinflusst auf der Grundlage der wenigstens einen Abbildung Stellgrößen der Brennkraftmaschine so, dass die physikalische Zielgröße auf den Grenzwert begrenzt wird. Dabei weist die asymmetrische Regelstruktur in dem unzulässigen Bereich der Soll/Ist- Abweichung vorzugsweise eine hohe Regelverstärkung auf, sodass eine sehr schnelle und zuverlässige Begrenzung resultiert. Ein Überschwingen über den Grenzwert in Richtung der zulässigen Abweichung wird dabei bewusst in Kauf genommen, da dies keine Gefährdung der Brennkraftmaschine bedeutet - typischerweise im Gegensatz zu einer Überschreitung des Grenzwerts in der unzulässigen Richtung.
Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die wenigstens eine Bedingung als Gütemaß aufgestellt wird, wobei das Gütemaß in Echtzeit - vorzugsweise unter wenigstens einer Nebenbedingung - optimiert wird. Die
Formulierung der wenigstens einen Bedingung als Gütemaß hat den Vorteil, dass sie in einfacher und verständlicher Weise programmiert werden kann, wobei in einfacher Weise
Stellgrößenwerte aufgefunden werden können, mit denen die wenigstens eine Bedingung durch die wenigstens eine physikalische Zielgröße erfüllt ist, indem das Gütemaß optimiert, insbesondere - je nach konkreter mathematischer Formulierung - minimiert oder maximiert wird. Ein solches Gütemaß kann beispielsweise die folgende mathematische Form haben: takt + tO
gimK 2s(t) + g2 {[NOx]s - [NOx t)) + g3 ([R]s - [R]i t)) + 9*{MS takt
(c)
Dabei ist J das Gütemaß, t ist ein momentaner Zeitpunkt in einem die Optimierung des
Gütemaßes durchführenden Steuergerät, to beschreibt einen Optimierungshorizont, insbesondere als einen Zeitschritt ausgehend von dem momentanen Zeitpunkt tin die Zukunft, über welchen das Gütemaß betrachtet wird; die durchnummerierten Parameter gi, g2, ..., stellen Gewichtungsfaktoren für die einzelnen Terme und damit die einzelnen Bedingungen an physikalische Zielgrößen in dem Gütemaß J dar, und in den Klammerausdrücken sind schließlich verschiedene Bedingungen an verschiedene physikalische Zielgrößen formuliert. Beispielsweise ist in dem zweiten Term die Bedingung formuliert, dass eine momentane und damit
zeitabhängige Stickoxidkonzentration [NOx]i einen Sollwert [NOx]s einhalten soll, wobei in dem dritten Term eine entsprechende Bedingung für eine momentane Rußpartikelkonzentration [R]i im Hinblick auf einen Sollwert [R]s formuliert ist, wobei in dem vierten Term eine
entsprechende Bedingung für ein momentanes Drehmoment Mi in Hinblick auf einen Sollwert Ms definiert ist. Der erste Term sorgt mit der quadratisch auftretenden Kraftstoffmasse mi s dafür, dass der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine minimiert wird, wenn das Gütemaß J minimiert wird.
Selbstverständlich können mehr Terme, weniger Terme oder andere Terme in einem solchen Gütemaß J berücksichtigt werden. Durch Wahl der Gewichtungsfaktoren können bestimmte Bedingungen priorisiert oder höher oder niedriger gewichtet werden. Auf diese Weise sind verschiedene Bertriebsziele für die Brennkraftmaschine formulierbar und gegeneinander gewichtbar. Es ist auch möglich, zumindest temporär bestimmte Gewichtungsfaktoren g zu null zu wählen, um bestimmte Bedingungen aus dem Gütemaß J herauszunehmen.
Harte Begrenzungen, insbesondere einzuhaltende Grenzwerte, können bevorzugt als
Nebenbedingung formuliert werden. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, solche harten Begrenzungen durch geeignete mathematische Formulierungen in die Formel des Gütemaßes J mitaufzunehmen.
Die in dem in dem Gütemaß J auftretenden Sollwerte werden insbesondere von außerhalb des Systems der Brennkraftmaschine vorgegeben, beispielsweise durch gesetzliche Vorgaben. Die in dem Gütemaß J auftretenden, momentanen Ist-Werte der physikalischen Zielgrößen werden durch die zuvor beschriebenen Abbildungen berechnet. Diese Abbildungen hängen - wie zuvor bereits erläutert - von den Stellgrößen ab.
Eine Optimierung des Gütemaßes J, insbesondere mit Hilfe eines numerischen
Optimierungsverfahrens, vorzugsweise unter Einhaltung von wenigstens einer Nebenbedingung, führt dann dazu, dass im Ergebnis geeignete Stellgrößenwerte aufgefunden werden, unter denen das Gütemaß optimal, hier insbesondere minimal, wird. Wird die Brennkraftmaschine 1 mit diesen Stellgrößenwerten angesteuert, werden die in dem Gütemaß formulierten Bedingungen durch die im Gütemaß J berücksichtigten physikalischen Zielgrößen vorzugsweise im Umfang eines durch die Gewichtungsfaktoren g vorgegebenen Maße erfüllt.
Das Prinzip des Optimierungsverfahrens besteht insbesondere darin, an den Stellgrößen gezielte Änderungen vorzunehmen, um für das Gütemaß einen möglichst kleinen Wert - oder bei anderer mathematischer Formulierung gegebenenfalls einen möglichst großen Wert - zu erhalten, wobei zugleich bevorzugt wenigstens eine Nebenbedingung eingehalten wird. Eine mögliche
Ausprägung einer solchen Vorgehensweise ist die Bestimmung eines mehrdimensionalen Gradienten in Abhängigkeit von allen Stellgrößen des Systems, wobei der Gradientenabstieg in die Richtung der schnellsten Minimierung des Gütemaßes weist. Varianten zur numerischen Minimierung oder Optimierung eines Gütemaßes mit oder ohne Berücksichtigung weiterer Nebenbedingungen sind dem Fachmann bekannt, sodass hierauf nicht näher eingegangen werden muss.
Die auf diese Weise ermittelten Werte für die Stellgrößen werden dann auf diesen zugeordnete Stellelemente gegeben und/oder auf unterlagerte Regelkreise der Brennkraftmaschine aufgeschaltet. Die Minimierung oder Optimierung des Gütemaßes durch das
Optimierungsverfahren und die dazu erforderlichen Modellrechnungen, insbesondere die Auswertung der Abbildungen, werden in Echtzeit auf einem Steuergerät der Brennkraftmaschine durchgeführt. Dadurch kann die Brennkraftmaschine auf Veränderungen von Betriebssituationen richtig reagieren, auch wenn ein solches Szenario vorab nicht betrachtet wurde, und ohne dass zugehörige Sollwerte für die Stellgröße schon in einer vorab erzeugten Kennfeldstruktur abgelegt sind.
Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die wenigstens eine Abbildung auf einen mehrdimensionalen Raum definiert ist, wobei die
Stellgrößenwerte zur Erfüllung der wenigstens einen Bedingung durch Gradientenbildung in dem mehrdimensionalen Raum berechnet werden. Dies stellt eine einfache und mathematisch leicht fassbare Ausführungsform des Verfahrens dar. Grundgedanke hierbei ist, dass ein mehrdimensionaler Gradient in Abhängigkeit von einer Mehrzahl von Stellgrößen, vorzugsweise von allen Stellgrößen des Systems, bestimmt werden kann, wobei ein Gradientenabstieg in Richtung einer schnellsten Minimierung eines Gütemaßes - nach Art der Methode des„steepest descent", also des steilsten Gradientenabstiegs - durchgeführt werden kann. Möglichkeiten zur numerischen Minimierung eines Gütemaßes mit oder ohne Berücksichtigung weiterer Nebenbedingungen in Form eines solchen Gradientenabstiegs sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt, sodass hierauf nicht weiter eingegangen wird.
Der mehrdimensionale Raum wird vorzugsweise durch die wenigstens eine physikalische Zielgröße und die Mehrzahl von Stellgrößen aufgespannt. Die Abbildung zwischen der wenigstens einen physikalischen Zielgröße und der Mehrzahl von Stellgrößen ist dann auf dem mehrdimensionalen Raum definiert, der im Folgenden auch als Hyperraum bezeichnet wird. Bevorzugt wird dann die wenigstens eine Bedingung für die wenigstens eine physikalische Zielgröße in Form eines Gütemaßes aufgestellt, und es werden in Echtzeit Stellgrößenwerte für die Stellgröße ermittelt, mit denen die wenigstens eine Bedingung durch die wenigstens eine physikalische Zielgröße erfüllt ist, wobei ein Gradientenabstieg in dem mehrdimensionalen Raum zur Optimierung, insbesondere zur Minimierung des Gütemaßes durchgeführt wird. Ein optimaler Betriebspunkt für die Brennkraftmaschine kann in diesem Fall durch
Gradientenbildung und insbesondere Minimumsuche in dem Hyperraum aufgefunden werden.
Es wird so ein modellbasierter Optimierer bereitgestellt, der in einem hochdimensionalen Parameterraum alle erforderlichen Korrekturbewegungen zum Ausgleich von Abweichungen im Betrieb der Brennkraftmaschine berücksichtigen kann und diese miteinander überlagert.
Beispielsweise ist es möglich, dass eine der Größen, welche den Hyperraum aufspannen, eine Stickoxidemission der Brennkraftmaschine ist. Ein Gütemaß kann dann beispielsweise optimiert werden, indem ein Gradient der Stickoxidemission in dem Hyperraum berechnet wird, wobei dann bevorzugt andere Größen, insbesondere Stellgrößen, derart geregelt und/oder eingestellt werden, dass im Betrieb der Brennkraftmaschine ein Abstieg - oder gegebenenfalls auch Aufstieg - in dem Hyperraum der Ermittlungsstruktur entlang des Gradienten der
Stickoxidemission erfolgt. Der Abstieg endet bevorzugt, wenn ein vorbestimmter Sollwert erreicht oder ein Minimum aufgefunden wird. Auf diese Weise erfolgt eine Optimierung - bevorzugt auf den vorbestimmten Sollwert. Es ist offensichtlich, dass die Optimierung hier nicht durch einen einzelnen, separaten Regeleingriff, sondern unter Berücksichtigung vorzugsweise aller Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine, insbesondere unter Berücksichtigung aller Stellgrößen, welche den Hyperraum mit aufspannen, erfolgt. Eine solche Optimierung ist auch unter Nebenbedingungen möglich, die beispielsweise ihrerseits wiederum als Gütemaß und/oder als Begrenzungen, oder aber als separate Nebenbedingungen, formuliert werden können.
Insbesondere wird eine Optimierung im Hyperraum bevorzugt so durchgeführt, dass eine als Begrenzung festgelegte Hyperfläche nicht durchstoßen wird. Dabei ist es möglich, dass der Betriebspunkt der Brennkraftmaschine in dem Hyperraum zunächst auf die begrenzende Hyperfläche gefahren wird, wobei die Optimierung dann unter Verlagerung des Betriebspunkts auf der Hyperfläche erfolgt.
Unter dem Begriff„Betriebsgrößen" werden bevorzugt allgemein physikalische Zielgrößen und Stellgrößen verstanden.
Die Umsetzung des Verfahrens zur Suche eines Optimums eines formulierten Gütemaßes mit oder ohne Berücksichtigung von Nebenbedingungen ist aber auch durch andere numerische Vorgehensweisen möglich.
Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, bei welcher eine
Leistungsanforderung an die Brennkraftmaschine als Gütemaß oder Begrenzung in dem mehrdimensionalen Raum berücksichtigt wird. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass auch die Leistungsanforderung als Größe in den Hyperraum eingeht, wobei sie als Gütemaß oder als Begrenzung formuliert und berechnet werden kann.
Durch Gradientenbildung in dem mehrdimensionalen Raum wird vorzugsweise ein
Korrekturvektor für die Stellgrößen gebildet. Werden mehr als eine physikalische Zielgröße im Rahmen des Verfahrens betrachtet, können mehrere Gradienten und damit mehrere
Korrekturvektoren gebildet werden, welche miteinander überlagert werden können. Somit sind verschiedene Ausregelungswünsche miteinander superponierbar, wodurch sich das
Gesamtsystem zu einem Betriebspunkt bewegt, an welchem die überlagerten
Ausregelungswünsche, mithin die verschiedenen Bedingungen an die verschiedenen
physikalischen Zielgrößen, erfüllt sind. Dies ist in besonders einfacher Weise dadurch möglich, dass die verschiedenen Gradienten aufaddiert werden.
Bevorzugt wird eine Richtung eines Korrekturvektors für die Stellgrößen durch den
Einheitsvektor eines Gradienten der physikalischen Zielgröße oder des Gütemaßes in dem Hyperraum vorgegeben, wobei eine Schrittweite für die Korrektur, also insbesondere ein Betrag des Korrekturvektors, durch die Soll/Ist- Abweichung des aktuellen Werts der physikalischen Zielgröße von einem Sollwert bestimmt wird. Dies ermöglicht eine sehr stabile Regelung, weil die Schrittweite mit Annäherung an den Sollwert abnimmt. Zugleich erfolgt eine schnelle Ausregelung, weil aufgrund der Vorgabe der Korrekturrichtung durch den Gradienten ein möglichst steiler Abstieg in dem Hyperraum erfolgt. Es ist auch möglich, dass der Gradient einer Kostenfunktion, beispielsweise des Verbrauchs in Abhängigkeit von Stellgrößen der Brennkraftmaschine, in dem Hyperraum gebildet wird, wobei ein Korrekturvektor zur Beeinflussung der Stellgrößen verwendet wird, welcher - gegebenenfalls bis auf einen Faktor - gleich dem Gradientenvektor ist. In entsprechender Weise können andere Extremalwerte eingestellt werden, insbesondere auch Maximalwerte. Durch die Verwendung des Gradientenvektors erfolgt ein möglichst steiler Verlauf des Betriebspunkts der Brennkraftmaschine in Richtung des Extremalwerts.
Eine Begrenzung einer physikalischen Zielgröße auf einen vorbestimmten Grenzwert beschreibt vorzugsweise - je nach Dimensionalität des Problems - einen vorbestimmten Grenzpunkt, eine Grenzkurve, eine Grenzfläche oder einen Grenzraum, wobei die entsprechende Begrenzung nicht oder nur kurzfristig überschritten oder durchstoßen werden darf. Wird die Bedingung an die wenigstens eine physikalische Zielgröße durch Gradientenbildung in einem mehrdimensionalen Raum ermittelt, stellt eine solche Begrenzung vorzugsweise eine Hyperfläche in dem Hyperraum dar. Insbesondere stellt die Begrenzung bevorzugt in einem n-dimensionalen Raum eine (n-1)- dimensionale Struktur dar, in einem eindimensionalen Raum also einen Punkt, in einem zweidimensionalen Raum eine Grenzkurve, in einem dreidimensionalen Raum eine Grenzfläche, in einem vierdimensionalen Raum einen dreidimensionalen Grenzraum, und in einem
vieldimensionalen Hyperraum mit mehr als vier Dimensionen entsprechend eine in ihrer
Dimension im Vergleich zu dem Hyperraum um eins reduzierte Hyperfläche. Dabei stellt die Dimension, um welche die Begrenzung reduziert ist, gerade diejenige Größe dar, hinsichtlich derer die Begrenzung erfolgen soll. Sind mehrere zu begrenzende physikalische Zielgrößen zu berücksichtigen, kann entsprechend eine Begrenzung mit einer weiter reduzierten
Dimensionalität formuliert werden. Eine solche mehrdimensionale Begrenzung kann jedoch ohne Weiteres auch als eine Superposition verschiedener, einzelner Begrenzungen beschrieben werden, sodass sich hier qualitativ nichts anderes ergibt, als bereits zuvor beschrieben wurde, nur dass eben Begrenzungen in Hinblick auf verschiedene Größen berücksichtigt werden. Es ist darauf zu achten, dass der mehrdimensionale Raum, der auch als Steuerraum bezeichnet wird, eine eindeutige Lösung der Optimierungsaufgabe zulässt.
Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass zu verschiedenen Zeiten Bedingungen an verschiedene physikalische Zielgrößen aufgestellt werden. Insbesondere ist es möglich, dass zu verschiedenen Zeiten verschiedene zu
optimierende, zu begrenzende oder auf einen Extremalwert einzustellende physikalische
Zielgrößen betrachtet werden. Insbesondere ist es möglich, dass betriebspunktabhängig zwischen verschiedenen auf einen Sollwert zu regelnden, zu begrenzenden oder auf einen Extremalwert einzustellenden physikalischen Zielgrößen umgeschaltet wird. Hierzu ist bevorzugt eine
Umschalteinrichtung vorgesehen, welche zwischen den verschiedenen physikalischen
Zielgrößen umschaltet. Beispielsweise ist es möglich, dass in einem ersten Betriebspunkt oder Betriebspunktbereich ein Verbrauch der Brennkraftmaschine an Brennstoff minimiert wird, wobei in einem anderen Betriebspunkt oder Betriebspunktbereich eine Abgastemperatur der Brennkraftmaschine auf einen für eine Regeneration eines Partikelfilters günstigen Wert eingestellt, insbesondere geregelt oder gesteuert wird. Es ist in diesem Fall, aber auch in anderen Fällen, möglich, dass sich bestimmte Regelungsziele widersprechen. Eine für die Regeneration eines Partikelfilters vorgesehene Anhebung der Abgastemperatur bedingt typischerweise einen erhöhten Verbrauch, was konträr zu dem Ziel einer Verbrauchsminimierung steht. Daher ist es in einem solchen, aber auch in anderen Fällen vorteilhaft, wenn zwischen verschiedenen
Ausregelungszielen umgeschaltet werden kann.
Es kann also insbesondere eine Betriebsmodusumschaltung erfolgen, beispielsweise aus einem Normalmodus in einen Thermomanagement-Modus zur Erhöhung der Abgastemperatur. Eine solche Umschaltung von Regelungszielen, insbesondere von Bedingungen an verschiedene physikalische Zielgrößen, kann insbesondere durch Variation der Gewichtungsfaktoren in einem Gütemaß erfolgen. Dabei können einzelne Terme zu Null gesetzt oder verschiedene Terme - in Relation zueinander - in ihrer Gewichtung verschoben werden. Auf diese Weise sind sehr einfach und schnell verschiedene Betriebsziele, insbesondere betriebspunktabhängig, darstellbar. Dabei können zu verschiedenen Zeiten verschiedene, auch einander widersprechende
Regelungsziele verfolgt werden. In das Gütemaß können auch zusätzliche Terme
hinzugenommen oder weggelassen werden. Ein Weglassen von Termen erfolgt allerdings bevorzugt durch Nullsetzen der diesen Termen zugeordneten Gewichtungsfaktoren. Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die wenigstens eine Bedingung an die wenigstens eine physikalische Zielgröße bei einem Ausfall eines einer Stellgröße zugeordneten Stellelements durch Anpassen der Stellgrößenwerte für die übrigen Stellgrößen erfüllt wird. Auf diese Weise kann einfach und schnell auf einen Ausfall eines Stellelements reagiert werden, wobei die verbleibenden Stellelemente - insbesondere kollektiv - so angesteuert werden, dass ein vorgegebenes Regelungsziel, insbesondere die wenigstens eine Bedingung an die wenigstens eine physikalische Zielgröße, weiterhin erfüllt wird. Das Verfahren reagiert also auf den Ausfall eines Stellelements durch Ausgleichsbewegungen aller weiteren Stellelemente in bezüglich der aufgestellten Bedingungen an den Betrieb der Brennkraftmaschine optimaler Weise. Es ist bevorzugt möglich, dass wenigstens eine Bedingung einer Mehrzahl von Bedingungen an eine Mehrzahl von
physikalischen Zielgrößen aufgegeben wird, wenn ein Stellelement ausfällt. Dies kann insbesondere durch Nullsetzen des Gewichtungsfaktors der entsprechenden Bedingung in dem Gütemaß erfolgen. Eine solche Aufgabe eines Regelungsziels, mithin einer Bedingung an eine physikalische Zielgröße, kann bei der Erfüllung der weiteren Bedingungen nach Ausfall eines Stellelements hilfreich sein. Insbesondere kann so ein Notbetrieb der Brennkraftmaschine ermöglicht werden, bei dem beispielsweise aus Sicherheitsgründen zwingend notwendige Funktionen erhalten bleiben, während unter Sicherheitsaspekten nachrangige Regelungsziele nicht weiterverfolgt werden. Beispielsweise kann ein Betrieb der Brennkraftmaschine bei
Überschreiten gesetzlicher Abgasgrenzwerte aufrechterhalten werden, um einen Notantrieb - beispielsweise für ein Unterseeboot - zu gewährleisten.
Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass als Stellgrößenwerte Sollwerte für separate Regel- oder EinStelleinrichtungen berechnet werden, wobei die separaten Regel- oder EinStelleinrichtungen den Stellgrößen jeweils zugeordnet sind. Hierbei wird bevorzugt für wenigstens eine Stellgröße eine separate, nur dieser Stellgröße zugeordnete Regel- oder EinStelleinrichtung verwendet. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass für jede Stellgröße eine solche separate Regel- oder EinStelleinrichtung verwendet wird. Diese separaten Regel- oder EinStelleinrichtungen werden dann mit den als Stellgrößenwerte im Rahmen des Verfahrens ermittelten Sollwerten angesteuert. Dies hat den Vorteil, dass bereits vorhandene Regel- oder EinStelleinrichtungen, die für sich genommen bekannt sind, verwendet werden können, wobei diese jedoch nicht - wie bisher bekannt - separat voneinander beeinflusst werden, wobei sie in diesem herkömmlichen Fall ihre Sollwerte aus einer Vielzahl von Kennfeldern und Korrekturkennfeldern erhalten haben. Vielmehr werden sie nun mit den im Rahmen des Verfahrens ermittelten Sollwerten angesteuert, wobei diese
Sollwerte aufeinander abgestimmt sind. Die im Rahmen des Verfahrens bereitsgestellte
Ermittlungsstruktur ist so als Koordinator-Struktur ausgebildet, welche einzelne, separate Regelkreise oder Steuerstrukturen anspricht. Vorteilhaft hierbei ist, dass die bisherigen
Regelkreise und Steuerstrukturen in ihrer Funktion erhalten bleiben können. Es wird lediglich zusätzlich die überlagerte Koordinator- Struktur vorgesehen, welche koordiniert Sollwerte für das ganze Set der Regel- oder Einstellstrukturen vorgibt. Umgekehrt werden der Koordinator- Struktur aus den einzelnen Regelkreisen und/oder Steuerstrukturen Informationen
zurückgemeldet, insbesondere Informationen über den Zustand der Regelkreise, beispielsweise das Erreichen einer Stellerbegrenzung. Die Koordinator-Struktur ihrerseits wertet Anforderungen an die Brennkraftmaschine und somit insbesondere Bedingungen an die wenigstens eine physikalische Abbildung, beispielsweise eine Leistungsanforderung des Betreibers sowie weitere Betriebsbedingungen, beispielsweise in Hinblick auf Emissionen, einen Schutz der
Brennkraftmaschine, deren Lebensdauer sowie deren Verbrauch, aus. Sie berücksichtigt die Informationen aus den einzelnen Komponenten und gibt die Sollwerte für die einzelnen
Regelkreise und/oder die Vorgabewerte für die einzelnen Steuerstrukturen so vor, dass ein optimales Ergebnis für das Gesamtsystem erreicht wird. Diese Ausgestaltung der
Ermittlungsstruktur ist vergleichsweise einfach zu implementieren, da auf die Regel- und/oder Steuerungsfunktionalität der bereits vorhandenen und an sich bekannten Regel- oder
EinStelleinrichtungen zurückgegriffen werden kann, wobei die Ermittlungsstruktur selbst keine Regler- oder Steuer-Funktionalität für einzelne Stellgrößen aufzuweisen braucht.
Unter einer Regeleinrichtung oder EinStelleinrichtung ist hier eine physikalische oder eine virtuelle Einrichtung zu verstehen, die entweder durch einen fest in eine Hardwarestruktur implementierten Mechanismus oder durch ein auf Softwareebene implementiertes Modul, beispielsweise einen Software-Regelkreis, realisiert sein kann. Die Regel- oder
EinStelleinrichtungen dienen bevorzugt der Ansteuerung von Stellelementen der
Brennkraftmaschine, insbesondere also zur Steuerung oder Regelung von Stellgrößen für die Stellelemente. Als Stellgrößenwerte werden mittels der Ermittlungsstruktur vorzugsweise Sollwerte für die entsprechenden Regelkreise oder Werte, mit denen die entsprechenden
EinStelleinrichtungen angesteuert werden, also Werte für die verschiedenen Stellgrößen, ermittelt. Vorteilhaft hierbei ist, dass diese Stellgrößenwerte mithilfe der Ermittlungsstruktur in Abhängigkeit voneinander und nicht mehr - wie zuvor - separat voneinander ermittelt werden.
Unter dem Begriff„Regeln" wird insbesondere eine Regelung im Sinne eines Regelkreises unter Rückkopplung der geregelten Größe und Betrachtung einer Soll/Ist- Abweichung verstanden.
Unter einer„Einstellung" wird hier insbesondere eine Steuerung ohne Rückkopplung verstanden. Es ist möglich, dass bestimmte Stellgrößen geregelt werden, während andere Stellgrößen gesteuert werden. Es ist auch möglich, dass Stellgrößen durch eine Vorsteuerung mit
unterlagerter Regelung eingestellt werden. Alternativ oder zusätzlich wird eine Aus führungs form des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass als Stellgrößenwerte Stellwerte berechnet werden, welche direkt zur Ansteuerung von den Stellgrößen zugeordneten Stellelementen verwendet werden. Dabei entfallen die separaten, den einzelnen Stellgrößen zugeordneten Regel- oder
EinStelleinrichtungen. Vielmehr werden die Stellelemente direkt durch die im Rahmen des Verfahrens berechneten Stellgrößenwerte angesteuert. Die Ermittlungsstruktur bildet bei dieser Ausführungsform einen Gesamtsystem-Regler, welcher bevorzugt Zugriff auf alle Stellelemente des Systems hat. Damit existiert eine vollständige Freiheit im Zugriff auf alle Stellelemente, sodass die feste Zuordnung von Regel- oder EinStelleinrichtungen zu den Stellgrößen entfällt, wobei keinerlei strukturelle Beschränkungen mehr für die Funktionsweise des Gesamtsystem- Reglers existieren. Damit ist diese Ausführungsform des Verfahrens flexibler einsetzbar als die zuvor beschriebene Ausführungsform, bei welcher die Ermittlungsstruktur als Koordinator- Struktur ausgebildet ist. Allerdings bestehen erhöhte Anforderungen an die Ermittlungsstruktur, da diese zusätzlich auch die Regler- oder Steuerungsfunktionalität für die einzelnen Stellgrößen übernehmen muss, was bei der anderen Ausführungsform durch die separaten Regel- oder EinStelleinrichtungen übernommen wird.
Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass im Rahmen des Verfahrens anhand der Abbildung als Stellgrößenwerte Korrekturwerte für Stellgrößen berechnet werden, die auf Normwerte für die Stellgrößen angerechnet werden. In diesem Fall werden zur Ansteuerung von Stellelementen der Brennkraftmaschine bevorzugt Normwerte aus Normkennfeldern ausgelesen, die dann durch Berechnung der Korrekturwerte korrigiert werden. Die Korrekturwerte können dabei als auf die Normwerte anzurechnende Korrektursummanden oder Korrekturfaktoren ermittelt werden. Dies hat den Vorteil, dass die den physikalischen Zielgrößen zugeordneten Abbildungen keine globale Gültigkeit im gesamten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine aufweisen müssen, sondern dass eine lokale Gültigkeit in bestimmten Betriebspunkten oder Betriebspunktbereichen genügen kann. Dies resultiert daraus, dass anhand der wenigstens einen Abbildung keine vollständigen Vorgabewerte für die Stellgrößen berechnet werden, sondern lediglich vorbestimmte Normwerte korrigiert werden. Auf diese Weise können Normabweichungen im Betrieb der Brennkraftmaschine, insbesondere Umwelt- und/oder Alterungseinflüsse, berücksichtigt werden. Vorteilhaft ist, dass die Modelle nur in der Umgebung des Normpunkts genau sein müssen. Dabei können insbesondere betriebs- oder normpunktabhängig verschiedene Abbildungen für dieselben physikalischen Zielgrößen verwendet werden.
Alternativ ist es möglich, dass im Rahmen des Verfahrens vollständige Vorgabewerte als Stellgrößenwerte berechnet werden, wobei es dann keines Rückgriffs auf Normkennfelder bedarf. Mit solchen vollständigen Stellgrößenwerten können Stellelemente direkt angesteuert werden, ohne dass diese Stellgrößenwerte nochmals mit weiteren Werten verrechnet werden müssen.
In jedem Fall entfällt aber ein Rückgriff auf eine unüberschaubare Vielzahl von
Korrekturkennfeldern, da die Korrektur und Anpassung von Normwerten durch das hier vorgeschlagene Verfahren unter Rückgriff auf die wenigstens eine Abbildung erfolgt, sodass es keiner Korrekturkennfelder mehr bedarf. Dabei werden in verständlicher und überschaubarer Weise physikalische Zusammenhänge und Querbeeinflussungen sowie Wechselwirkungen zwischen den Stellgrößen durch die Ermittlungsstruktur berücksichtigt.
Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass Stellelementanschläge oder Stellgrößenbegrenzungen bei der Beeinflussung der Stellgrößen berücksichtigt werden. Ein Beispiel hierfür ist ein Klappenanschlag oder ein Betrieb einer Komponente einer Abgasnachbehandlungseinrichtung an ihrer Betriebsgrenze, beispielsweise eines SCR-Katalysators im Bereich seiner maximalen Umsatzrate. Vorzugsweise werden nicht zu unterschreitende Abstände von maximalen oder minimalen Stellgrößenwerten berücksichtigt, die besonders bevorzugt als Begrenzungen formuliert werden und entsprechend nicht über- oder unterschritten werden dürfen. Nähert sich eine Stellgröße einer solchen Begrenzung, ist vorzugsweise vorgesehen, dass ein Korrekturwert auf die Stellgröße aufgeschlagen wird, der diese von dem zulässigen Extremalwert entfernt. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass bezüglich jeder Stellgröße stets eine ausreichende Regel- oder Stellreserve erhalten bleibt. Es ist auch möglich, dass ein im Rahmen des Verfahrens berechneter Korrekturvektor für Stellgrößen in Richtung eines Extremalwerts einer Stellgröße begrenzt wird.
Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass wenigstens eine der physikalischen Zielgrößen und/oder Stellgrößen einer
Abgasnachbehandlungseinrichtung zugeordnet ist. Mithilfe des Verfahrens und insbesondere mithilfe der Ermittlungsstruktur werden also nicht nur dem Motor selbst zugeordnete Größen berücksichtigt, sondern bevorzugt auch Größen einer Abgasnachbehandlungseinrichtung, beispielsweise eines Partikelfilters, eines SCR-Katalysators, eines Oxidationskatalysators oder anderer Einrichtungen. Auf diese Weise wird eine Betrachtung des gesamten Systems der Brennkraftmaschine im Rahmen des Verfahrens möglich.
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Steuereinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 13 geschaffen wird. Die Steuereinrichtung ist eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Damit verwirklichen sich in Zusammenhang mit der Steuereinrichtung die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden.
Es ist möglich, dass eine separate Steuereinrichtung zur Durchführung des Verfahrens vorgesehen ist. Bevorzugt ist die Steuereinrichtung allerdings ausgebildet als Steuergerät, insbesondere als zentrales Steuergerät oder Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine (Engine Control Unit - ECU). Es ist aber auch möglich, dass die Steuereinrichtung eine Mehrzahl von Steuergeräten aufweist, die miteinander wirkverbunden sind, wobei es insbesondere möglich ist, dass die Funktionalität des Verfahrens auf die mehreren Steuergeräte aufgeteilt ist. Bei einem Ausführungsbeispiel ist es möglich, dass das Verfahren in eine elektronische Struktur, insbesondere in eine Hardwarestruktur, der Steuereinrichtung, implementiert ist. Alternativ ist bevorzugt vorgesehen, dass ein Computerprogrammprodukt in die Steuereinrichtung geladen ist, welches Anweisungen aufweist, aufgrund derer das Verfahren durchgeführt wird, wenn das Computerprogrammprodukt auf der Steuereinrichtung läuft. Dabei ist insbesondere die
Ermittlungsstruktur vorzugsweise als Softwaremodul des Computerprogrammprodukts implementiert.
Gegenstand der Erfindung ist bevorzugt auch ein Computerprogrammprodukt, welches sich durch maschinenlesbare Anweisungen auszeichnet, aufgrund derer ein Verfahren nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen durchgeführt wird, wenn das
Computerprogrammprodukt in einen Rechner geladen ist und auf dem Rechner läuft.
Entsprechend wird auch ein Datenträger bevorzugt, auf welchem ein solches
Computerprogrammprodukt gespeichert ist. In Zusammenhang mit dem
Computerprogrammprodukt und dem Datenträger verwirklichen sich die bereits in
Zusammenhang mit dem Verfahren erläuterten Vorteile. Schließlich wird die Aufgabe auch gelöst, indem eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 14 geschaffen wird. Die Brennkraftmaschine zeichnet sich durch eine
Steuereinrichtung nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele aus. Damit verwirklichen sich in Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren und der Steuereinrichtung erläutert wurden. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Hubkolbenmotor ausgebildet. Es ist möglich, dass die Brennkraftmaschine zum Antrieb eines Personenkraftwagens, eines Lastkraftwagens oder eines Nutzfahrzeugs eingerichtet ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dient die Brennkraftmaschine dem Antrieb insbesondere schwerer Land- oder Wasserfahrzeuge, beispielsweise von Minenfahrzeugen, Zügen, wobei die Brennkraftmaschine in einer
Lokomotive oder einem Triebwagen eingesetzt wird, oder von Schiffen. Auch ein Einsatz der Brennkraftmaschine zum Antrieb eines der Verteidigung dienenden Fahrzeugs, beispielsweise eines Panzers, ist möglich. Ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine wird vorzugsweise auch stationär, beispielsweise zur stationären Energieversorgung im Notstrombetrieb,
Dauerlastbetrieb oder Spitzenlastbetrieb eingesetzt, wobei die Brennkraftmaschine in diesem Fall vorzugsweise einen Generator antreibt. Auch eine stationäre Anwendung der
Brennkraftmaschine zum Antrieb von Hilfsaggregaten, beispielsweise von Feuerlöschpumpen auf Bohrinseln, ist möglich. Weiterhin ist eine Anwendung der Brennkraftmaschine im Bereich der Förderung fossiler Roh- und insbesondere Brennstoffe, beispielswiese Öl und/oder Gas, möglich. Auch eine Verwendung der Brennkraftmaschine im industriellen Bereich oder im Konstruktionsbereich, beispielsweise in einer Konstruktions- oder Baumaschine, zum Beispiel in einem Kran oder einem Bagger, ist möglich. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als
Dieselmotor, als Benzinmotor, als Gasmotor zum Betrieb mit Erdgas, Biogas, Sondergas oder einem anderen geeigneten Gas, ausgebildet. Insbesondere wenn die Brennkraftmaschine als Gasmotor ausgebildet ist, ist sie für den Einsatz in einem Blockheizkraftwerk zur stationären Energieerzeugung geeignet. Die Beschreibung des Verfahrens einerseits und der Steuereinrichtung sowie der
Brennkraftmaschine andererseits sind komplementär zueinander zu verstehen. Merkmale der Steuereinrichtung oder der Brennkraftmaschine, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale eines bevorzugten Ausführungsbeispiel der Steuereinrichtung oder der
Brennkraftmaschine. Verfahrensschritte, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit der
Steuereinrichtung oder der Brennkraftmaschine beschrieben wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Verfahrensschritte einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens. Dieses zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens einen Verfahrensschritt aus, der durch wenigstens ein Merkmal eines erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsbeispiels der Steuereinrichtung oder der Brennkraftmaschine bedingt ist. Die Steuereinrichtung und/oder die Brennkraftmaschine zeichnet/zeichnen sich bevorzugt durch wenigstens ein Merkmal aus, das durch wenigstens einen Verfahrensschritt einer erfindungsgemäßen oder bevorzugten
Ausführungsform des Verfahrens bedingt ist. Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Betreiben einer
Brennkraftmaschine gemäß dem Stand der Technik;
Figur 2 eine schematische Darstellung einer prinzipiellen Funktionsweise eines
erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Brennkraftmaschine;
Figur 3 eine schematische Darstellung einer ersten Ausfuhrungsform eines Verfahrens zum
Betreiben einer Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung;
Figur 4 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des Verfahrens;
Figur 5 eine Detaildarstellung einer Ausfuhrungsform des Verfahrens;
Figur 6 eine weitere schematische Darstellung eines Verfahrens zum Betreiben einer
Brennkraftmaschine gemäß dem Stand der Technik;
Figur 7 eine schematische Darstellung einer Abbildung zwischen physikalischen Zielgrößen und Stellgrößen einer Brennkraftmaschine zur Durchführung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Brennkraftmaschine;
Figur 8 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Verfahrens in Form eines
Diagramms;
Figur 9a eine schematische Detaildarstellung einer Ausführungsform des Verfahrens;
Figur 9b eine weitere schematische Detaildarstellung einer Ausführungsform des Verfahrens;
Figur 10 eine weitere schematische Detaildarstellung einer Ausführungsform des Verfahrens;
Figur 11 eine weitere schematische Detaildarstellung einer Ausführungsform des Verfahrens, und
Figur 12 eine weitere schematische Detaildarstellung einer Ausführungsform des Verfahrens.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Beispiels für ein Verfahren zum Betreiben Brennkraftmaschine 1 gemäß dem Stand der Technik. Die Brennkraftmaschine 1 weist ein Steuergerät 3 sowie ein System von Stellelementen 5 auf, wobei die Stellelemente 5 zur
Einstellung von Stellgrößen der Brennkraftmaschine durch das Steuergerät 3 angesteuert werden. Durch Einstellen der Stellgrößen an den Stellelementen 5 sind physikalische Zielgrößen der Brennkraftmaschine 1 veränderbar. Die Stellelemente 5 können beispielsweise - im Sinne einer nicht abschließenden Aufzählung - eine Saugdrossel oder ein Druckregelventil zur Einstellung eines Raildrucks, einen Injektor oder eine Mehrzahl von Injektoren zur Einstellung einer
Einspritzmenge, eines Spritzbeginns, einer Spritzdauer, eines Spritzendes oder einer ähnlichen Größe, eine Drosselklappe oder eine Abgasrückführklappe in einem Abgasrückführpfad, beispielsweise eine Spenderklappe, eine Injektionseinrichtung zur Eindüsung eines
Reduktionsmittels in einen Abgasstrom zur Umsetzung an einem SCR-Katalysator, und/oder ein Stellelement zur Beeinflussung eines Partikelfilters, insbesondere ein Stellelement zur
Beeinflussung der Abgastemperatur im Bereich des Partikelfilters zu dessen Regeneration, umfassen. Die Stellelemente 5 werden durch das Steuergerät 3 angesteuert beziehungsweise beeinflusst, wobei dieses eine jedem Stellelement 5 einzeln zugeordnete Regel- oder
EinStelleinrichtung 7, hier konkret jeweils einen Regelkreis 9 aufweist. Der besseren
Übersichtlichkeit wegen ist hier nur eine der Regel- oder EinStelleinrichtungen 7
beziehungsweise der Regelkreise 9 mit den entsprechenden Bezugszeichen gekennzeichnet. Durch Doppelpfeile von den einzelnen Regel- oder EinStelleinrichtungen 7 zu den
Stellelementen 5 ist angedeutet, dass den Stellelementen 5 jeweils Stellgrößen vorgegeben werden, wobei ein tatsächlicher Zustand der Stellelemente 5 an die Regel- oder
EinStelleinrichtungen 7 zurückgemeldet wird.
Für jede der Regel- oder EinStelleinrichtungen 7 existiert hier eine Mehrzahl von Kennfeldern 11, wobei die Mehrzahl von Kennfeldern jeweils bevorzugt ein Normkennfeld sowie eine Vielzahl von Korrekturkennfeldern umfassen. Wesentlich ist, dass hier jedem Regelkreis 9 eine separate Mehrzahl von Kennfeldern 11 zugeordnet ist, wobei die verschiedenen Regelkreise 9 nichts voneinander wissen und nicht miteinander verbunden sind. Es existiert somit eine Vielzahl von Kennfeldern 11 , wobei konkret vorliegende Umweltbedingungen oder Alterungseinflüsse der Brennkraftmaschine 1 jeweils über die Korrekturkennfelder berücksichtigt werden.
Weiterhin können Querbeeinflussungen der einzelnen Regelkreise 9 höchstens durch
entsprechende Bedatung von Korrekturkennfeldern, insbesondere durch entsprechende betriebspunktabhängige Bedatung, berücksichtigt werden. Auf diese Weise entsteht eine hochkomplexe Struktur von Kennfeldern, deren Bedatung äußerst schwierig und fehleranfällig ist, wobei spezifische Anforderungen an die Brennkraftmaschine 1 kaum oder nur sehr schwer darstellbar sind, und wobei nur in geringem Maße vorhersagbar ist, wie die Brennkraftmaschine 1 tatsächlich auf Abweichungen von ihren Normbetriebsbedingungen reagieren wird. Um dies im Ansatz zuverlässig ermitteln zu können, und auch zur Bedatung der Kennfelder, ist eine Vielzahl von aufwändigen und langwierigen Prüfstandsversuchen nötig. Fig. 2 zeigt schematisch eine prinzipielle Funktionsweise eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Brennkraftmaschine 1. Dabei werden zum einen eine Leistungsanforderung 13 sowie anderweitige Betriebsbedingungen, nämlich Anforderungen 15 an die
Brennkraftmaschine 1 in einem Übersetzungsschritt 17 auf eine Meta-Ebene übertragen und als Bedingungen an wenigstens eine Abbildung, welche wenigstens eine physikalische Zielgröße der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von einer Mehrzahl von Stellgrößen der
Brennkraftmaschine beschreibt, insbesondere als Gütemaße und/oder Begrenzungen in einer übergeordneten Ermittlungsstruktur, formuliert. Bei den Anforderungen 15 handelt es sich zum Beispiel um gesetzliche Anforderungen an die Emissionen der Brennkraftmaschine 1 , beispielsweise um Grenzwerte für Stickoxid- oder Rußemissionen, sowie um zulässige
Einregeldauern für Emissionen. Dabei kann beispielsweise noch unterschieden werden zwischen Grenzwerten, die zeitweise und/oder betriebspunktabhängig überschritten werden dürfen und solchen, bei denen keine Überschreitung zulässig ist. Die Anforderungen 15 können auch Bedingungen in Hinblick auf die Lebensdauer der Brennkraftmaschine 1 umfassen,
beispielsweise zulässige Spitzendrücke für Zylinder einer als Hubkolbenmaschine ausgebildeten Brennkraftmaschine 1 oder eine maximale Drehzahl für einen Turbolader. Weiterhin können die Anforderungen 15 Stabilitätsbedingungen umfassen, die über eine Betriebsdauer der
Brennkraftmaschine 1 erfüllt sein müssen. Hierbei kann es sich zum Beispiel um eine Drift für Injektoren der Brennkraftmaschine sowie um eine Versottung eines Kühlers, beispielsweise eines Abgasrückführkühlers, handeln. Weiterhin können die Anforderungen 15
kundenspezifische Anforderungen oder Kundenwünsche, beispielsweise in Hinblick auf einen Verbrauch der Brennkraftmaschine an Brennstoff oder eine Dynamik derselben, insbesondere in einem Fahrbetrieb, umfassen. Diese Aufzählung ist nicht abschließend, und die genannten Betriebsbedingungen können selbstverständlich alternativ oder kumulativ von den
Anforderungen 15 umfasst sein. Die in dem Übersetzungsschritt 17 insbesondere als Gütemaße und/oder Begrenzungen formulierten Bedingungen werden in einem Lösungsschritt 19 mittels der Ermittlungsstruktur gelöst, insbesondere durch eine Optimierung und/oder Minimierung - gegebenenfalls unter Berücksichtigung von Begrenzungen oder Nebenbedingungen, wobei die so erhaltenen Lösungen schließlich in einem Umsetzungsschritt 21 auf dem Steuergerät 3 beziehungsweise auf der Brennkraftmaschine 1 umgesetzt werden. Insbesondere werden in dem Lösungsschritt 19 in Echtzeit anhand der Abbildung Stellgrößenwerte für die Stellgrößen ermittelt, mit denen die wenigstens eine Bedingung durch die wenigstens eine physikalische Zielgröße erfüllt ist, wobei die Brennkraftmaschine in dem Umsetzungsschritt 21 mit den derart ermittelten
Stellgrößenwerten angesteuert wird. Ist eine Struktur geschaffen, die das in Figur 2 aufgestellte Schema erfüllt, ist es möglich, sowohl die Leistungsanforderung 13 als auch die Anforderungen 15 in einfacher Weise auf der Meta-Ebene als Bedingungen direkt zu formulieren und mithilfe der Ermittlungsstruktur einer Lösung zuzuführen. Es bedarf also keiner aufwändigen
Implementierung der einzelnen Anforderungen durch spezifische Bedatung einer Vielzahl von Kennfeldern mehr, was nur äußerst aufwändig und ohne Gewährleistung eines
zufriedenstellenden Verhaltens der Brennkraftmaschine 1 möglich ist. Vielmehr ermöglicht die das in Figur 2 dargestellte Schema erfüllende Struktur nun einen direkten Zugriff auf das Verhalten der Brennkraftmaschine 1 zur Umsetzung der Leistungsanforderung 13 und der Anforderungen 15, wobei das Ergebnis insbesondere aufgrund der Formulierung als Gütemaße und/oder Begrenzungen sehr gut vorhersagbar ist.
Die in dem Übersetzungsschritt 17 gewählte Formulierung der allgemeinen Anforderungen 15 auf der Meta-Ebene als Bedingungen kann beispielsweise das Einhalten von Bereichen um vorgegebene Sollwerte, das Einhalten von Begrenzungen, sowie das Auffinden optimaler Lösungen beziehungsweise das Optimieren oder Minimieren bestimmter physikalischer
Zielgrößen beinhalten. Insbesondere ist es möglich, eine Minimumsuche zur Minimierung eines Verbrauchs der Brennkraftmaschine 1 auf der Meta-Ebene zu formulieren und zu
implementieren. Die in dem Übersetzungsschritt 17 gewählte Formulierung auf der Meta-Ebene kann durchgängig in der Verwendung der Reglerentwicklung beibehalten werden, wobei es keiner Umsetzung mehr in eine Bedatung einer Vielzahl von Kennfeldern bedarf.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Brennkraftmaschine 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. In diesem Fall ist hier eine Ermittlungsstruktur 23 vorgesehen, welche einen mathematischen Raum, auf dem die wenigstens eine Abbildung und mathematische Operationen definiert sind, sowie insbesondere die Abbildung und die mathematischen Operationen, aufweist, und welche vorzugsweise als Software-Modul in das Steuergerät 3 implementiert ist, und welche für die Regelung und/oder Einstellung von Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine 1, insbesondere zur Ansteuerung der Stellelemente 5 verwendet wird. Dabei ist hier die Ermittlungsstruktur 23 den in bekannter Weise vorgesehenen, separaten Regel- oder EinStelleinrichtungen 7, insbesondere den Regelkreisen 9 überlagert, wobei durch die Ermittlungsstruktur 23 Stellgrößenwerte für die einzelnen Regel- oder
EinStelleinrichtungen 7 ermittelt werden. Insbesondere werden durch die Ermittlungsstruktur 23 Sollwerte für die Regelkreise 9 ermittelt beziehungsweise vorgegeben. Dabei ist es bei einer Ausführungsform des Verfahrens möglich, dass durch die Ermittlungsstruktur 23 direkt
Sollwerte für die Regelkreise 9 berechnet werden. In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens ist es möglich, dass zunächst unkorrigierte Sollwerte für die Regelkreise 9 aus Normkennfeldern ausgelesen werden, welche den Regelkreisen 9 separat zugeordnet sind, wobei diese unkorrigierten Sollwerte mittels der Ermittlungsstruktur 23 korrigiert werden, wobei durch die Ermittlungsstruktur 23 Korrekturwerte berechnet werden, welche auf die unkorrigierten Sollwerte - insbesondere als Summanden oder als Faktoren - angerechnet werden, wodurch korrigierte Sollwerte resultieren, mit denen dann die Regelkreise 9 angesteuert werden. Dabei ist es zugleich auch möglich, dass Begrenzungen der Stellelemente 5, beispielsweise Klappenanschläge, berücksichtigt werden, wobei mittels der Ermittlungsstruktur 23
gewährleistet wird, dass stets ein minimaler Abstand zu einer Extremalposition eines
Stellelements 5 eingehalten wird. Auch ist es möglich, dass bei Annäherung an eine solche Extremalposition durch die Ermittlungsstruktur 23 ein sogenannter Freifahrwert auf den Sollwert angerechnet wird, sodass sich der vorgegebene Sollwert für das jeweilige Stellelement 5 weiter von der Extremalposition entfernt. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass zu jeder Zeit eine ausreichende Regel- oder Stellreserve für die Stellelemente 5 gewährleistet ist. Diese werden dann nicht an ihren Anschlag oder in ihre Begrenzung gefahren.
In die Ermittlungsstruktur 23 gehen die Leistungsanforderung 13 sowie die Anforderungen 15 als Bedingungen an die wenigstens eine physikalische Zielgröße ein. In der Ermittlungsstruktur 23 werden bevorzugt der Leistungsanforderung 13 und der Anforderungen 15 entsprechende, übergeordnete Gütemaße und/oder Begrenzungen ausgewertet, und es werden entsprechende Vorgabewerte für die einzelnen Regelkreise 9 berechnet. Die Berechnung geschieht dabei gemeinsam, wobei Querbeeinflussungen und physikalische Zusammenhänge zwischen den einzelnen Stellelementen 5 und den Regelkreisen 9 inhärent durch die Ermittlungsstruktur 23 berücksichtigt werden. Insbesondere ist die Ermittlungsstruktur 23 vorzugsweise als Hyperraum von physikalischen Zielgrößen und Stellgrößen der Brennkraftmaschine ausgestaltet, wobei die Gütemaße bevorzugt als Gradienten in dem Hyperraum formuliert werden, und wobei Begrenzungen bevorzugt als Hyperflächen in dem Hyperraum dargestellt werden, welche durch einen momentanen
Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 1 nicht durchstoßen werden dürfen. Die Sollwerte für die einzelnen Regelkreise 9 stellen Komponenten eines Vektors in dem Hyperraum 9 dar, der in einzelnen Regelschritten der Ermittlungsstruktur 23 auf der Grundlage der Gütemaß-Gradienten unter Berücksichtigung der Begrenzungen und/oder Nebenbedingungen stets neu berechnet wird. Mit jedem Berechnungsschritt entsteht ein neuer Vektor von Stellgrößenwerten, insbesondere Vorgabe- oder Sollwerten, wobei die einzelnen Vorgabe- oder Sollwerte an die Regelkreise 9 übermittelt werden. Durch Doppelpfeile ist angedeutet, dass zugleich ein Zustand der
Regelkreise 9 an die Ermittlungsstruktur 23 zurückgemeldet und in die Neuberechnung des Vorgabevektors einbezogen wird. Die Regelkreise 9 übernehmen in an sich bekannter Weise die Ansteuerung der Stellelemente 5, wie das bereits in Zusammenhang mit Figur 1 erläutert wurde. Von den Stellelementen 5 werden bevorzugt wiederum Informationen über den Zustand der Brennkraftmaschine 1 an ein Bestimmungselement 25 übermittelt, welches einen aktuellen Zustand der Brennkraftmaschine 1 bestimmt, der wiederum durch die Ermittlungsstruktur 23 ausgewertet und zur Berechnung des Vorgabevektors herangezogen wird. Beispielsweise kann dabei ein Alterungszustand von Komponenten der Brennkraftmaschine 1 oder ein
Versottungszustand, beispielsweise eines AGR-Kühlers, bestimmt werden.
Bei der Ausführungsform des Verfahrens gemäß Figur 3 ist die Ermittlungsstruktur 23 als Koordinator- Struktur implementiert, welche eine übergeordnete, gemeinsame Berechnung von Vorgabe- oder Sollwerten für die Regel- oder EinStelleinrichtungen 7 durchführt. Die
Ermittlungsstruktur 23 muss dabei selbst keine Regelungsfunktionalität für die einzelnen
Stellelemente 5 aufweisen, da dies in an sich bekannter Weise durch die Regelkreise 9 durchgeführt wird.
Es ist möglich, dass zwischen die Regelkreise 9 und die Stellelemente 5 noch ein hier nicht dargestelltes Sensor- Aktor-Korrekturmodul zwischengeschaltet ist, welches auf der Grundlage physikalischer Teilmodelle eine Stell- und Messwertgrößenkorrektur durchführt. Dies kann insbesondere vorgesehen sein, um eine Serienstreuung verschiedener Brennkraftmaschinen 1 untereinander zu minimieren. Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des Verfahrens. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Im Unterschied zu der
Ausführungsform gemäß Figur 3 entfallen bei der in Figur 4 dargestellten Ausführungsform die den Stellelementen 5 separat zugeordneten Regel- oder EinStelleinrichtungen 7. Stattdessen werden die Stellelemente 5 direkt mittels der Ermittlungsstruktur 23 und insbesondere von dieser angesteuert. Somit verarbeitet die Ermittlungsstruktur 23 direkt alle Messgrößen, Informationen über den Systemzustand, Anforderungen und Stellgrößen der Brennkraftmaschine 1.
Insbesondere übernimmt sie auch die Steuerungs- und/oder Regelungsfunktion der Regel- oder EinStelleinrichtungen 7. Dies ist durch eine Reihe von Doppelpfeilen dargestellt, welche hier unmittelbar von der Ermittlungsstruktur 23 auf die Stellelemente 5 und umgekehrt verweisen. Bei dieser Ausführungsform des Verfahrens wird die feste Zuordnung der Regelkreise 9 zu den Stellgrößen beziehungsweise den Stellelementen 5 aufgehoben, sodass keinerlei strukturelle Einschränkungen mehr bezüglich der Verwendung der Ermittlungsstruktur 23 bestehen. Damit ist die Ermittlungsstruktur 23 gemäß der Ausführungsform von Figur 4 flexibler einsetzbar als dies bei der Ausführungsform gemäß Figur 3 der Fall ist. Andererseits bestehen erhöhte
Anforderungen an die Ermittlungsstruktur 23, da diese zusätzlich zu der koordinierten und für das Gesamtsystem der Brennkraftmaschine 1 optimalen Ermittlung von Stellgrößen- oder Vorgabewerten für die Stellelemente 5 auch noch Steuerungs- und/oder Regelungsfunktionen zu deren Ansteuerung übernehmen muss. Im Übrigen gehen auch bei der Ausführungsform gemäß Figur 4 in die Ermittlungsstruktur 23 die Leistungsanforderungen 13, die Anforderungen 15 sowie der von dem Bestimmungselement 25 ermittelte Systemzustand ein.
Auch bei dieser Ausführungsform des Verfahrens ist es möglich, dass zwischen die
Ermittlungsstruktur 23 und die Stellelemente 5 ein Sensor-Aktor-Korrekturmodul
zwischengeschaltet ist, welches insbesondere physikalische Teilmodelle für eine Korrektur der Mess- und Stellgrößen heranzieht, wie dies bereits in Zusammenhang mit Figur 3 erläutert wurde.
Fig. 5 zeigt eine schematische Detaildarstellung einer Ausführungsform des Verfahrens. Dabei kann der hier dargestellte Ansatz sowohl für die erste Ausführungsform des Verfahrens gemäß Figur 3 als auch für die zweite Ausführungsform gemäß Figur 4 verwendet werden. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Dabei ist auf der linken Seite von Figur 5 dargestellt, dass in die Ermittlungsstruktur 23, die vorzugsweise als Software-Modul ausgestaltet ist, welches in das Steuergerät 3 geladen ist, die Leistungsanforderung 13, die Anforderungen 15 und der durch das Bestimmungselement 25 ermittelte Systemzustand der Brennkraftmaschine 1 eingehen. Diese Informationen werden - was hier durch einen Pfeil P dargestellt ist - bei der hier dargestellten Ausführungsform in ein Gesamtmodell 27 der Brennkraftmaschine 1 eingespeist, wobei das Gesamtmodell insbesondere eine Modellierung der Stellelemente 5 sowie bevorzugt weiterer Stellgrößen und/oder physikalischer Zielgrößen der Brennkraftmaschine 1 umfasst. Bevorzugt weist das Gesamtmodell 27 einen mathematischen Hyperraum auf, der durch physikalische Zielgrößen und Stellgrößen der Brennkraftmaschine 1 aufgespannt ist. In
Abhängigkeit der Eingangsgrößen, nämlich der Leistungsanforderung 13, der Anforderungen 15 und des Zustands der Brennkraftmaschine 1, welcher durch das Bestimmungselement 25 ermittelt wird, wird mittels des Gesamtmodells 27 eine Vielzahl aktueller physikalischer Zielgrößen, wie beispielsweise eine Rußemission, eine Stickoxidemission, ein Verbrauch, ein Spitzendruck, eine Turbo lader-Drehzahl oder andere physikalische Zielgrößen der
Brennkraftmaschine 1 im aktuellen Zustand. Die Ergebnisse der Berechnung des Gesamtmodells 27 werden dann einem Auswertungsschritt 29 unterworfen, welcher insbesondere anhand der Leistungsanforderung 13 und der Anforderungen 15 bestimmte Gütemaße und/oder
Begrenzungen auswertet. Das Ergebnis des Auswertungsschritts 29 wird dann einem
Berechnungsschritt 31 zugeführt, welcher vorzugsweise den Gütemaßen und/oder Begrenzungen zugeordnete Rechenoperationen aufweist, die insbesondere auf dem Hyperraum des
Gesamtmodells 27 durchführbar sind. Insbesondere ist in dem Berechnungsschritt 31 bevorzugt ein nicht-lineares numerisches Optimierungs- und/oder Minimierungsverfahren, beispielsweise ein Gradientenabstieg, durchführbar, wobei aus der Berechnung neue, in Hinblick auf die Gütemaße und/oder Begrenzungen verbesserte Stellgrößenwerte zur Ansteuerung der
Stellelemente 5 resultieren. Diese neuen Stellgrößenwerte werden - wie rechts in Figur 5 dargestellt - den Stellelementen 5 - entweder direkt oder über Regel- oder EinStelleinrichtungen - zur Ansteuerung zugeführt. Zugleich werden die neu berechneten Stellgrößenwerte dem Gesamtmodell 27 zur Auswertung übergeben, welches auf der Grundlage der neuen
Stellgrößenwerte wiederum physikalische Zielgrößen berechnet, die dann in dem
Auswertungsschritt 29 in Hinblick auf die Gütemaße und/oder Begrenzungen ausgewertet werden können.
Die hier aufgezeigten Schritte werden vorzugsweise iterativ und besonders bevorzugt permanent während des Betriebs der Brennkraftmaschine 1 durchgeführt, sodass letztlich eine Optimierung der Stellgrößenwerte zur Ansteuerung der Stellelemente 5 durch das Gesamtmodell 27 erfolgt. Auf diese Weise ist im Rahmen des Verfahrens die Verwendung eines detaillierten, dynamischen Motormodells, nämlich des Gesamtmodells 27, möglich, wobei eine Stellerdynamik und/oder Stellereigenschaften der Stellelemente 5 berücksichtigt werden können. Das Gesamtmodell 27 umfasst bevorzugt alle Größen, die begrenzt und/oder optimiert werden sollen. Es ist so ein numerisches Optimierungsverfahren auf dem Steuergerät 3 umsetzbar. Dieses kann insbesondere auf einem Gradientenabstieg beruhen. Dabei ist das Verhalten der Brennkraftmaschine 1 anhand des Gesamtmodells 27 in Abhängigkeit von den Vorgabewerten für die Stellelemente 5 berechenbar, und es werden Gütefunktionen ausgewertet, deren Wert beispielsweise minimiert werden soll. Dabei kann es sich beispielsweise um einen spezifischen Verbrauch der
Brennkraftmaschine handeln. Ebenfalls können Begrenzungen berücksichtigt werden, beispielsweise maximale Stellgrößenwerte, ein Spitzendruck für einen Brennraum der
Brennkraftmaschine 1 sowie andere Begrenzungen. Unter Berücksichtigung der Begrenzungen einzelner Größen ist die Bestimmung einer Abstiegsrichtung durch Gradientenbildung möglich. Die so ermittelten, für die aktuelle Betriebssituation optimalen Stellgrößen werden auf das reale System der Brennkraftmaschine 1, hier konkret auf die Stellelemente 5, aufgeschaltet.
Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Betreiben einer
Brennkraftmaschine 1 gemäß dem Stand der Technik. Das Verfahren wird bevorzugt in einem Steuergerät 3 der Brennkraftmaschine durchgeführt. Dabei ist in einem mittleren Bereich der Figur zu erkennen, dass insbesondere ein Drehmoment M oder eine Lastanforderung, eine Drehzahl n sowie ein Vektor aus Umwelteinflüssen, der auch als Umweltvektor z bezeichnet wird, herangezogen werden, um aus abhängig von diesen und/oder anderen Eingangsgrößen aufgespannten Normkennfeldern 33 Normwerte für verschiedene Stellgrößen der
Brennkraftmaschine 1 auszulesen. Diese Stellgrößen umfassen beispielsweise einen
Spritzbeginn, eine Abgasrückführrate, einen Ladedruck und/oder einen Hochdruck in einem Rail einer Common-Rail-Einspritzeinrichtung. Diese Aufzählung ist nicht abschließend, wobei insbesondere weitere Stellgrößen hinzutreten oder allgemein eine andere Auswahl von
Stellgrößen berücksichtigt werden kann. Die Normwerte der Stellgrößen werden zu einem Normvektor unorm zusammengefasst. Der Umweltvektor z kann beispielsweise Größen wie eine Höhe, in der die Brennkraftmaschine 1 betrieben wird und/oder einen äußeren Luftdruck, eine Temperatur, bei welcher die Brennkraftmaschine 1 betrieben wird, und/oder andere
Betriebsbedingungen umfassen.
Die aus den Normkennfeldern 33 ausgelesenen Norm werte sind nur dann für einen optimalen Betrieb der Brennkraftmaschine 1 geeignet, wenn diese unter Normbedingungen betrieben wird. Abweichungen von den Normbedingungen werden durch Korrekturkennfelder 35 berücksichtigt, die ebenfalls insbesondere abhängig von dem Umweltvektor z ausgelesen werden. Zusätzlich oder alternativ ist es möglich, dass Korrekturkennfelder 35 in Abhängigkeit von anderen oder weiteren Bedingungen, beispielsweise Alterungszuständen von Komponenten der
Brennkraftmaschine 1, ausgelesen werden. Die aus den Korrekturkennfeldern 35 aus gelesenen Korrekturwerte werden in einer Summationsstelle 37 zu den Normwerten addiert, woraus ein korrigierter Stellgrößenvektor u resultiert. Dabei entspricht jede Komponente des
Stellgrößenvektors u einer Stellgröße, wobei hier jeder Stellgröße ein separater Regler 39 zugeordnet ist, dem die entsprechende Komponente des Stellgrößenvektors u als Sollwert übergeben wird. Die Ausgangswerte der Regler 39 wirken auf ein System von Stellelementen 41, mit denen die Brennkraftmaschine 1 betrieben wird. Diese weist eine Mehrzahl von Sensoren auf, beispielsweise einen Drehzahlsensor zur Erfassung der Drehzahl n sowie typischerweise weitere Sensoren, wobei abhängig von der Ansteuerung der Stellelemente 41 ein Messvektor x aus Messwerten resultiert, welche an der Brennkraftmaschine 1 gemessen werden. Der
Messvektor x umfasst dabei insbesondere auch physikalische Zielgrößen der
Brennkraftmaschine 1 wie beispielsweise eine Stickoxidkonzentration im Abgas oder das Drehmoment M oder eine Lastanforderung. Auch ein Momentanverbrauch an Brennstoff kann von dem Messvektor x umfasst sein. Dabei ist es möglich, dass nicht nur Messwerte realer Sensoren berücksichtigt werden, sondern dass auch sogenannte virtuelle Sensoren definiert sind, die aus Mess- und/oder Stellgrößen der Brennkraftmaschine 1 mithilfe eines Modells bestimmte physikalische Zielgrößen der Brennkraftmaschine 1 berechnen, ohne dass diese direkt gemessen würden. Insbesondere ist es möglich, dass der momentane Verbrauch der Brennkraftmaschine 1 mithilfe eines solchen virtuellen Sensors berechnet wird. Komponenten des Messvektors x können zugleich Komponenten des Umweltvektors z sein, sodass diese dann wieder in die Regelung der Brennkraftmaschine 1 eingehen.
Es zeigt sich, dass es zur Regelung der Brennkraftmaschine 1 für jede Stellgröße einer Vielzahl von Korrekturkennfeldern 35 bedarf, die nicht nur abhängig von verschiedenen Werten des Umweltvektors z sondern auch abhängig von einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 1 bedatet sind. Dabei werden die Korrekturkennfelder 35 für jede Stellgröße separat bedatet, sodass physikalische Zusammenhänge und Querbeeinflussungen höchstens durch entsprechende, betriebspunktabhängige Bedatung der einzelnen Korrekturkennfelder 35 berücksichtigt werden können. Diese Vorgehensweise ist äußerst fehleranfällig und kompliziert. Auch können
Anforderungen an die Brennkraftmaschine 1, beispielsweise gesetzliche Emissionsgrenzwerte, lediglich über eine hochkomplexe Bedatung der Korrekturkennfelder 35 berücksichtigt werden. Dies ermöglicht keinen unmittelbaren Zugang zu solchen Anforderungen, sodass letztlich auch das Verhalten der Brennkraftmaschine 1 bei Abweichungen von vorgegebenen Sollwerten kaum vorhersagbar ist. Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung einer Abbildung A zwischen einer Mehrzahl von physikalischen Zielgrößen sowie einer Mehrzahl von Stellgrößen der Brennkraftmaschine 1 , welche in einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine 1 verwendet werden kann.
Dabei ist links in Figur 7 ein Eingangsraum U dargestellt, der hier beispielhaft durch drei Stellgrößen, nämlich eine Klappenposition AGR einer Abgasrückführklappe, einen Ladedruck pL und einen Spritzbeginn BOI aufgespannt wird. Der Eingangsraum U wird vorzugsweise von einer größeren Zahl von Stellgrößen aufgespannt, deren Zahl hier lediglich der besseren
Darstellbarkeit wegen auf drei begrenzt ist.
Als weitere Größen können in den Eingangsraum U Umweltbedingungen, beispielsweise eine Höhe und/oder eine Temperatur, in beziehungsweise bei der die Brennkraftmaschine 1 betrieben wird, eingehen. Auch Alterungseinflüsse, beispielsweise ein Alterung von Injektoren oder Abgasnachbehandlungssystemen der Brennkraftmaschine 1, können in dem Hyperraum berücksichtigt werden.
In Figur 7 rechts ist ein Zielraum oder Ausgangsraum X dargestellt, der von physikalischen Zielgrößen der Brennkraftmaschine 1, hier von einer Stickoxidkonzentration [NOx], einer
Schwärzung SZ, das heißt einer Rußpartikelkonzentration im Abgas, und einem Verbrauch Ve der Brennkraftmaschine 1 aufgespannt wird. Auch der Ausgangsraum X wird bevorzugt von mehr als drei physikalischen Zielgrößen aufgespannt, wobei die Zahl der physikalischen Größen hier der besseren Darstellbarkeit wegen auf drei beschränkt ist. In dem Ausgangsraum X sind Sollwerte für die Stickoxidemission, hier nämlich ein Sollwert [NOx]s, sowie für die Schwärzung SZ, nämlich ein Sollwert SZs, als Ebenen dargestellt, auf denen die den entsprechenden physikalischen Zielgrößen zugeordneten Basisvektoren senkrecht stehen. Die Sollwerte resultieren vorzugsweise aus gesetzlichen Vorgaben, die insbesondere unter Berücksichtigung eines Sicherheitsabstands einzuhalten sind. Dabei wird die Brennkraftmaschine 1 vorzugsweise möglichst nah an den entsprechenden gesetzlichen Grenzwerten betrieben, um den Wirkungsgrad nicht unnötig zu verringern. Ein Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 1 wird daher vorzugsweise auf die vorgegebenen Sollwerte geregelt.
Ebenfalls in dem Ziel- oder Ausgangsraum X eingetragen ist eine Begrenzungsfläche 43, die einem maximalen Zylinderdruck der als Hubkolbenmotor ausgebildeten Brennkraftmaschine 1 entspricht. Diese Begrenzungsfläche 43 darf im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 von einem Betriebspunkt nicht nach unten durchstoßen werden.
Es existiert eine Abbildung A zwischen dem Ziel- oder Ausgangsraum X und dem
Eingangsraum U, welche hier durch einen Doppelpfeil dargestellt ist. Insbesondere sind die physikalischen Zielgrößen des Ausgangsraums X mittels der Abbildung A als Funktionen der Stellgrößen des Eingangsraum U darstellbar. Vermittelt über die Abbildung A ist es
insbesondere auch möglich, die Stellgrößen des Eingangsraums U sowie die physikalischen Zielgrößen des Ausgangsraums X gemeinsam in einem durch alle diese Größen aufgespannten Hyperraum darzustellen, auf welchem die Abbildung A definiert ist.
Sowohl in dem Eingangsraum U als auch in dem Ausgangsraum X ist ein Betriebspunkt 45, 45' der Brennkraftmaschine 1 eingetragen, der nicht optimal ist, wobei insbesondere die Sollwerte [NOx]s für die Stickoxidemissionen und SZS für die Schwärzung überschritten werden, wobei jedoch die Begrenzungs fläche 43 für den maximalen Zylinderdruck nicht in die unzulässige Richtung überschritten ist. Im Rahmen des Verfahrens wird der Betriebspunkt 45 der
Brennkraftmaschine 1 insbesondere durch Wahl entsprechender Korrekturvektoren in dem Eingangsraum U so verschoben, dass die in dem Ausgangsraum X definierten Bedingungen erfüllt sind. Dabei zeigt sich, dass ein anzustrebender Betriebspunkt bevorzugt auf einer Schnittlinie SL der durch die Sollwerte [NOx]s und SZs definierten Ebenen liegt. Dabei liegt ein erster, zulässiger Betriebspunkt 47' zusätzlich genau auf der Begrenzungsfläche 43, während unzulässige Betriebspunkte existieren, welche unterhalb der Begrenzungsfläche 43 auf der Schnittlinie SL liegen. Beispielhaft ist hier ein unzulässiger Betriebspunkt 49' eingezeichnet. Es existieren auch weitere, zulässige Betriebspunkte, welche oberhalb der Begrenzungsfläche 43 auf der Schnittlinie SL liegen. Beispielhaft ist hier ein zweiter, zulässiger Betriebspunkt 51 ' eingezeichnet. Es zeigt sich damit, dass - gemäß der hier gewählten, vereinfachten Darstellung - jedenfalls noch ein weiterer Freiheitsgrad existiert, der beispielsweise für eine Verbrauchs- oder Kostenoptimierung im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 herangezogen werden kann. Den Betriebspunkten 47', 51 ' in dem Ausgangsraum X entsprechen Betriebspunkte 47, 51 in dem Eingangsraum U, woraus insbesondere deutlich wird, dass die Wahl eines Korrekturvektors für die Stellgrößen ebenfalls nicht eindeutig ist, um von dem nicht optimalen Betriebspunkt 45 zu einem optimierten und zugleich zulässigen Betriebspunkt 47, 51 zu gelangen. Auch dies zeigt, dass jedenfalls ein weiterer Freiheitsgrad existiert, der beispielsweise für eine Verbrauchs- oder Kostenoptimierung der Brennkraftmaschine 1 genutzt werden kann. Typischerweise existieren mehrere solche Freiheitsgrade in den tatsächlich vorliegenden Ein- und Ausgangsräumen U, X beziehungsweise dem Hyperraum der Brennkraftmaschine 1.
Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Verfahrens anhand eines zweidimensionalen Diagramms. Das Diagramm ist - der einfacheren Darstellung wegen - aufgespannt durch zwei Stellgrößen der Brennkraftmaschine 1 , nämlich eine erste Stellgröße ui und eine zweite Stellgröße u2. In dem Diagramm eingetragen sind Höhenlinien einer Soll/Ist- Abweichung AG für eine physikalische Zielgröße G, die im Folgenden auch kurz als
physikalische Größe G bezeichnet wird, für die eine Abbildung in einem durch die physikalische Größe G und die Stellgrößen ui, u2 aufgespannten Raum definiert ist. Die physikalische Größe G ist also eine Funktion der Stellgrößen uls u2, die in dem Diagramm von Figur 8 durch die dort eingetragenen Höhenlinien - bezogen auf einen Sollwert Gs - dargestellt ist. Bei der Größe G kann es sich beispielsweise um eine Stickoxidemission der Brennkraftmaschine 1 handeln.
Es wird im Folgenden angenommen, dass die physikalische Größe G auf den vorherbestimmten Sollwert Gs optimiert werden soll.
Die physikalische Größe G kann also als Funktion G(u) des Stellgrößenvektors u = (ui, u2)T ausgedrückt werden, wobei die Funktion G(u) die wenigstens eine Abbildung des Verfahrens ist. Entsprechend ist es möglich, in dem Hyperraum der Abbildung, hier in dem durch die Größen G, ui, u2 aufgespannten Raum, den Gradienten grad(G(u)) zu bilden. Weiterhin ist es möglich, an jeder Stelle der Funktion G(u) deren Abstand von dem Sollwert Gs zu bilden:
AG(u) = G(u) - Gs (1)
Es ist nun möglich, eine Regelung der physikalischen Größe G(u) auf den Sollwert Gs zu realisieren, die sich folgendermaßen ausdrücken lässt:
Au = Kl Σ AG(u) grade(G(u)) (2) Dabei ist Au ein mithilfe der Regelung zu bestimmende Korrekturvektor, Kl ist ein insbesondere eine Regelverstärkung beschreibender Proportionalitätsfaktor, und die einzelnen Summanden unter der Summe beschreiben die jeweils in jedem Regelungsschritt zu berechnenden
Korrekturterme, wobei AG(u) den Abstand des Wertes der Funktion G(u) von dem Sollwert Gs - wie in Gleichung (1) ausgedrückt - beschreibt, wobei grade(G(u)) der Einheitsvektor des
Gradienten grad(G(u)) ist. Durch die Verwendung des Einheitsvektors des Gradienten hängt die Schrittweite, nämlich die Länge des Korrekturwertes Au, nicht von der Steilheit des Gradienten ab, vielmehr gibt der Gradient lediglich die Richtung des Korrekturvektors Au vor. Die
Schrittweite, mithin die Größe des Korrekturvektors, wird dagegen durch die Soll/Ist- Abweichung AG(u) bestimmt. Hierdurch erhöht sich die Stabilität der Regelung, wobei insbesondere mit steigender Annäherung an den Sollwert Gs kleinere Regelungsschritte durchgeführt werden. Wird der Sollwert Gs erreicht, verschwindet die Soll/Ist- Abweichung AG(u), sodass keine weiteren Korrekturterme auftreten.
In Gleichung (2) ist implizit angenommen, dass die Regelung mittels eines Proportionalreglers durchgeführt wird. Selbstverständlich ist es möglich, das hier beschriebene Grundprinzip der Regelung ebenso mittels eines Proportional-Integral-Reglers, eines Proportional-Integral- Differential-Reglers, oder mittels eines anders gearteten, geeigneten Reglers durchzuführen.
In Figur 8 ist ein erster Startpunkt Sl eingezeichnet, wobei die Regelung in einem Endpunkt El endet, wenn der in Gleichung (2) formulierte Gradientenabstieg realisiert wird. Dabei liegt der Sollwert Gs gerade bei AG = 0, sodass der Endpunkt El auf der entsprechenden Höhenlinie angeordnet ist. Startet die Regelung dagegen von einem ebenfalls eingezeichneten, zweiten Startpunkt S2, führt der Gradientenabstieg zu einem zweiten Endpunkt E2, der ebenfalls auf der Höhenlinie AG = 0 liegt, jedoch an einer anderen Stelle in dem durch die Stellgrößen ui, u2 aufgespannten Diagramm. Somit zeigt sich, dass der zu erreichende Endpunkt durch die
Regelung nicht eindeutig bestimmt ist, wobei entlang der den Sollwert Gs kennzeichnenden Höhenlinie AG = 0 wenigstens ein Freiheitsgrad verbleibt, der für weitere Optimierungs- oder Minimierungsschritte genutzt werden kann. Hierauf wird im Folgenden noch näher eingegangen. Jedenfalls ist festzuhalten, dass bei dem in Gleichung (2) formulierten Regelungsalgorithmus der eingeregelte Endpunkt von dem Startpunkt, also dem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 1 abhängt, von dem ausgehend die Regelung startet. Im Übrigen wird hervorgehoben, dass mit Gleichung (2) ein Regelalgorithmus gegeben ist, mithilfe dessen die physikalische Größe G auf den Sollwert Gs optimiert wird. Um die Stabilität der Regelung zu erhöhen, wird bevorzugt die Schrittweite, also die Größe der einzelnen Terme unter der Summe mit steigender Steilheit des Gradienten grad(G(u)) reduziert. Dies wird bevorzugt dadurch erreicht, dass jeder Summand durch einen Divisor geteilt wird, welcher gleich dem Betrag oder der Norm des Gradienten grad(G(u)) ist. Auf diese Weise wird automatisch eine Reduzierung des Betrags der einzelnen Terme mit steigender Steilheit des Gradienten erreicht. Dabei wird bevorzugt eine sinnvolle Begrenzung, insbesondere eine Untergrenze für den Divisor vorgegeben, um eine Division durch Null und damit ein Ausufern der Schrittweite zu vermeiden.
Fig. 9a) zeigt eine schematische Detaildarstellung einer Ausführungsform des Verfahrens, hier nämlich eine erste Regelstruktur 53 für eine physikalische Zielgröße oder kurz Größe G, beispielsweise für eine Stickoxidkonzentration im Abgas der Brennkraftmaschine. Als
Eingangsgrößen gehen in die erste Regelstruktur 53 ein Sollwert Gs für die physikalische Größe G, ein Istwert Gi für die physikalische Größe G, und ein aktueller Stellgrößenvektor u ein. Der Sollwert Gs kann - beispielsweise anhand gesetzlicher Vorgaben - fest vorgegeben und/oder betriebspunktabhängig definiert sein. In letzterem Fall wird er bevorzugt aus einem Kennfeld ausgelesen.
Der Istwert Gi wird vorzugsweise entweder direkt mittels eines geeigneten Sensors gemessen, oder - insbesondere durch ein Modell - auf der Grundlage der aktuellen Stellgrößen und/oder Messgrößen anderer Sensoren, welche nicht direkt die Größe G messen, ermittelt. In einer Subtraktionsstelle 55 wird eine Soll/Ist-Ab weichung AG(u) berechnet, wobei die
Soll/Ist- Abweichung explizit oder implizit -nämlich insbesondere über den Istwert Gi - von dem aktuellen Stellgrößenvektor u abhängt. Insbesondere der Stellgrößenvektor u geht in eine Ermittlungsstruktur 57 ein, welche insbesondere ein Modell, vorzugsweise einen
mehrdimensionalen Raum mit einer darauf definierten Abbildung der physikalischen Größe G in Abhängigkeit von dem Stellgrößenvektor u, aufweist. Dabei ist es möglich, dass in die
Ermittlungsstruktur 57 neben dem Stellgrößenvektor u auch Umwelt- oder
Umgebungsbedingungen, und/oder Alterungseinflüsse der Brennkraftmaschine 1 eingehen.
Es ist möglich, dass das der Ermittlungsstruktur 57 zugrundeliegende Modell ein Gesamtmodell der Brennkraftmaschine 1 dargestellt, welches alle relevanten physikalischen Zielgrößen und Stellgrößen berücksichtigt. Alternativ ist es aber auch möglich, dass die Ermittlungsstruktur 57 ein Teilmodell für die hier konkret betrachtete physikalische Größe G - und gegebenenfalls für weitere physikalische Größen - aufweist, welches hier zur Berechnung der Größe G herangezogen wird. Jedenfalls weist die Ermittlungsstruktur 57 eine Abbildung zwischen dem Stellgrößenvektor u und der physikalischen Größe G auf, wobei die physikalische Größe G aus dem Stellgrößenvektor u berechenbar ist. In einem nächsten Schritt wird durch ein
Gradientenbildungselement 59 ein - vorzugsweise normierter - Gradient, mithin insbesondere der Einheitsvektor grade(G(u)) des Gradienten grad(G(u)) der Größe G gebildet. An diesen wird in einer Multiplikationsstelle 61 die Soll/Ist- Abweichung AG(u) heranmultipliziert, und das so erhaltene Produkt - welches gerade einem Term der Summe aus Gleichung (2) entspricht, wird einem Regler 63 zugeführt, der in Abhängigkeit von dem Produkt einen
Stellgrößenkorrekturvektor AUG zur Ausregelung der physikalischen Größe G berechnet. Dabei ist es möglich, dass es sich bei dem Regler 63 um einen Proportionalregler handelt, welcher insbesondere die in Gleichung (2) berücksichtigte Regelverstärkung Kl aufweist. Bei dem Regler 63 kann es sich aber auch um jede andere Art von Regler handeln, beispielsweise um einen Proportional-Integral-Regler (PI-Regler) oder einen Proportional-Integral-Differential- Regler (PID-Regler).
Der Stellgrößenkorrekturvektor AUG wird - wie noch näher erläutert wird - bevorzugt auf einen Normvektor unorm für die Stellgrößen angerechnet, wobei hieraus letztlich ein Stellgrößenwerte für die Stellgrößen umfassender Stellgrößenvektor u resultiert, mit dem die Brennkraftmaschine 1 beziehungsweise deren Stellelemente 41 angesteuert werden. Aus dieser Ansteuerung resultiert wiederum ein neuer Istwert Gi der physikalischen Größe G, der - ebenso wie der aktuelle
Stellgrößenvektor u - wiederum in die erste Regelstruktur 53 eingeht. Die Brennkraftmaschine 1, deren Stellelemente 41 sowie die zugehörige Sensorik bilden somit die Regelstrecke für den insgesamt mittels der ersten Regelstruktur 53 realisierten Regelkreis.
Dabei ist die erste Regelstruktur 53 geeignet und eingerichtet, um die physikalische Größe G auf den Sollwert Gs zu optimieren. Besonders bevorzugt wird mithilfe der ersten Regelstruktur 53 eine Stickoxid-Konzentration [NOx] im Abgas der Brennkraftmaschine 1 geregelt.
Fig. 9b) zeigt eine schematische Detaildarstellung einer weiteren Ausführungsform des
Verfahrens. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Wie in Figur 9a) ist in Figur 9b) eine Regelstruktur dargestellt, nämlich eine zweite Regelstruktur 65. Diese entspricht im Wesentlichen der ersten Regelstruktur 53 bis auf den Unterschied, dass der Istwert Gi für die physikalische Größe G hier durch die Ermittlungsstruktur 57 - insbesondere abhängig von dem Stellgrößenvektor u - berechnet wird. Es erfolgt also insbesondere eine modellbasierte
Berechnung des Istwerts Gi. Dies ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn keine Sensorik zur unmittelbaren Erfassung der zu regelnden oder zu steuernden physikalischen Größe G vorgesehen ist. Ein Beispiel für eine solche physikalische Größe ist typischerweise eine
Schwärzung, nämlich eine Partikelkonzentration im Abgas der Brennkraftmaschine 1 , welche üblicherweise nicht unmittelbar gemessen wird. Die Schwärzung kann aber anhand eines Modells oder Teilmodells, nämlich einer Abbildung, mittels der Ermittlungsstruktur 57 insbesondere aus dem Stellgrößenvektor u und/oder aus Umwelteinflüssen sowie
Alterungseinflüssen berechnet werden. Damit zeigt sich insgesamt Folgendes: Die erste Regelstruktur 53 gemäß Figur 9a) wird bevorzugt insbesondere für physikalische Größen G verwendet, welche direkt messbar oder unabhängig von der Ermittlungsstruktur 57 erfass- oder ermittelbar sind. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Stickoxid-Konzentration im Abgas der Brennkraftmaschine 1 handeln, welche beispielsweise unmittelbar durch einen Stickoxid-Sensor messbar ist. Die zweite
Regelstruktur 65 gemäß Figur 9b) wird bevorzugt für solche physikalische Größen G verwendet, welche einer unmittelbaren Messung typischerweise nicht zugänglich sind, wobei es günstig ist, die Ermittlungsstruktur 57 und insbesondere die Abbildung zur Berechnung des Istwerts Gi heranzuziehen. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Schwärzung des Abgases der Brennkraftmaschine 1 handeln. Unabhängig von der konkreten Wahl der Größe G wird diese vorzugsweise - insbesondere mittels einer der Regelstrukturen 53, 65 gemäß Gleichung (2) geregelt.
Bevorzugt werden im Rahmen des Verfahrens mehr als eine physikalische Größe G geregelt, wobei Regelungsterme für verschiedene physikalische Größen G, beispielsweise für eine erste physikalische Größe Gl und eine zweite physikalische Größe G2, einfach miteinander superponiert werden können. Der Stellgrößenkorrekturvektor Au ergibt sich dann als Summe der einzelnen Regelungsbeiträge gemäß der folgenden Gleichung:
Au = Kl Σ AGl(u) grade(Gl(u)) + K2 Σ AG2(u) grade(G2(u)) + .. . (3)
Es ist offensichtlich und durch drei Punkte hinter dem letzten Term angedeutet, dass Gleichung (3) auf eine beliebige Zahl zu regelnder physikalischer Größen G erweitert werden kann. In der Formulierung von Gleichung (3) wird berücksichtigt, dass die physikalischen Größen Gl , G2 vorzugsweise von zwei verschiedenen Reglern geregelt werden, wobei es möglich ist, dass ein erster Regler für die physikalische Größe Gl eine erste Regelverstärkung Kl aufweist, welche von einer Regelverstärkung K2 eines zweiten Reglers für die zweite physikalische Größe G2 verschieden ist. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass die beiden Regelverstärkungen Kl, K2 gleich sind. Wie zuvor bereits in Gleichung (2) wird auch in der Formulierung von
Gleichung (3) angenommen, dass die hier eingesetzten Regler als Proportional-Regler ausgebildet sind. Alternativ kann wenigstens einer der beiden Regler als Proportional-Integral- Regler, als Proportional-Integral-Differential-Regler, oder in anderer geeigneter Weise ausgebildet sein.
Die zu regelnden physikalischen Größen G können sämtlich mittels der ersten Regelstruktur 53 oder sämtlich mittels der zweiten Regelstruktur 65 geregelt werden, es ist aber auch möglich, dass wenigstens eine physikalische Größe G mittels der ersten Regelstruktur 53 geregelt wird, wobei wenigstens eine zweite physikalische Größe G mittels der zweiten Regelstruktur 65 geregelt wird.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird als erste physikalische Größe Gl eine Stickoxid-Konzentration im Abgas der Brennkraftmaschine insbesondere mittels der ersten Regelstruktur 53 geregelt, wobei als zweite physikalische Größe G2 eine Schwärzung des Abgases der Brennkraftmaschine 1 insbesondere mittels der zweiten Regelstruktur 65 geregelt wird.
Werden verschiedene Regelungen gemäß Gleichung (3) miteinander superponiert, führt dies dazu, dass ein Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 1 in dem Hyperraum der physikalischen Zielgrößen und Stellgrößen auf einem gegebenenfalls mehrdimensionalen Schnittgebilde, beispielsweise einer Schnittlinie, einer Schnittfläche oder einer Schnitthyperfiäche der einzelnen auszuregelnden Bedingungen, insbesondere der Sollwerte Gs, gehalten wird. Existieren auf diesem Schnittgebilde weitere Freiheitsgrade, können weitere Optimierungs- oder
Minimierungsbedingungen sowie Begrenzungen berücksichtigt werden.
Fig. 10 zeigt eine schematische Detaildarstellung einer weiteren Ausführungsform des
Verfahrens. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Insbesondere zeigt Figur 10 eine Einstellstruktur 67 zur Einstellung eines Extremalwerts für eine physikalische Zielgröße oder kurz Größe G(u), die im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 minimiert oder maximiert werden soll. Mithilfe der Einstellstruktur 67 ist es insbesondere möglich, eine Kostenfunktion darzustellen, mithilfe derer ohne Regelkreis ein Optimierungsvektor zur Kostenreduzierung ermittelt wird. Bei der physikalischen Größe G kann es sich dabei insbesondere um eine
Verbrauch der Brennkraftmaschine 1 an Brennstoff handeln, der insbesondere zusätzlich zu weiteren Regelungs- oder Einstellbedingungen optimiert beziehungsweise minimiert werden kann. Hierzu kann insbesondere die folgende Gleichung angesetzt werden:
Au = Kl Σ AGl(u) grade(Gl(u)) + K2 Σ AG2(u) grade(G2(u)) + K3 grad(G3(u)) (4)
In Gleichung (4) tritt zu den Regelungstermen der Gleichung (3) noch der additive
Optimierungsterm K3grad(G3) für die Einstellung der dritten physikalischen Größe G3 auf ein Extremum, beispielsweise zur Minimierung des Verbrauchs als dritte physikalische Größe G3. Da hierbei keine Regelung, sondern vielmehr bevorzugt nur eine Minimumsuche durchgeführt wird, entspricht hier der Faktor K3 vorzugsweise einem Gewichtungsfaktor, insbesondere um den Einstellterm relativ zu den vorangehenden Regelungstermen in Gleichung (4) gewichten zu können. Dabei wird nach Möglichkeit angestrebt, dass zunächst eine Ausregelung der
Regelungsbedingungen erfolgt, wobei nach Ausregelung derselben ein Betriebspunkt der Brennkraftmaschine in dem Hyperraum der physikalischen Zielgrößen und Stellgrößen, allgemein Betriebsgrößen genannt, durch den verbleibenden Einstellgradienten, beispielsweise den Verbrauchsgradienten, verschoben wird. Zugleich sorgen dabei die Regelungsterme für ein Verbleiben auf einer Äquipotentialfläche der ausgeregelten ersten und zweiten physikalischen Größen Gl , G2. Die Einstellung der physikalischen Größe G gemäß Figur 10 auf ein Extremum erfolgt bevorzugt derart, dass mittels der Ermittlungsstruktur 57, in welche der Stellgrößenvektor u eingeht, die Größe G berechnet wird, wobei in dem Gradientenbildungselement 59 ein - hier vorzugsweise nicht normierter - Gradient der Größe G berechnet wird. Aus diesem Gradienten wird dann ein Stellgrößenkorrekturvektor AUG gebildet. Es ist ein Ausführungsbeispiel möglich, bei dem insbesondere mittels der ersten Regelstruktur 53 eine Stickoxid-Emission der Brennkraftmaschine 1 ausgeregelt wird, wobei insbesondere mittels der zweiten Regelstruktur 65 eine Schwärzung des Abgases der Brennkraftmaschine 1 ausgeregelt wird, wobei zugleich mittels der Einstellstruktur 67 ein Verbrauch der
Brennkraftmaschine 1 an Brennstoff minimiert wird. Dabei wird der Betriebspunkt der
Brennkraftmaschine 1 durch die Emissionsregler bevorzugt auf eine Äquipotentialfläche der ausgeregelten Emissionen in dem Hyperraum verschoben, wo er dann durch den Verbrauchsgradienten verlagert wird, wobei zugleich die Emissionsregler für ein Verbleiben auf der Äquipotentialfläche sorgen.
Im Rahmen des Verfahrens wird bevorzugt auch eine Schutzfunktion für die Brennkraftmaschine 1 etabliert, insbesondere indem wenigstens eine physikalische Zielgröße oder kurz Größe G der Brennkraftmaschine 1 auf einen vorherbestimmten Grenzwert begrenzt wird. Hierzu existieren prinzipiell zwei Möglichkeiten: Zum einen ist es möglich, insbesondere mittels der
Ermittlungsstruktur 57 messbare physikalische Größen zu beschränken, um eine Überschreitung vorherbestimmter Grenzwerte zu vermeiden. Beispielsweise ist es möglich, eine Laderdrehzahl zu beschränken, um zu vermeiden, dass ein Zylinderdruck einer als Hubkolbenmotor
ausgebildeten Brennkraftmaschine einen vorherbestimmten Grenzwert übersteigt.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, in analoger Weise zu den oben beschriebenen
Regelstrukturen eine Regelstruktur zu schaffen, welche eine asymmetrische Regelung für eine zu begrenzende physikalische Größe G aufweist.
Fig. IIa) zeigt eine solche dritte Regelstruktur 69. Diese ist der ersten Regelstruktur 53 nachgebildet; es ist alternativ aber auch möglich, dass die dritte Regelstruktur 69 der zweiten Regelstruktur 65 nachgebildet ist. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Die dritte Regelstruktur 69 unterscheidet sich hier von der ersten Regelstruktur 53 dadurch, dass statt des Reglers 63 ein asymmetrischer Regler 71 verwendet wird, wobei in die dritte
Regelstruktur 69 als Sollwert Gs ein Grenzwert eingeht, welcher nicht über- oder unterschritten werden darf. Der asymmetrische Regler 71 gibt als Ausgangswert für den
Stellgrößenkorrekturvektor AUG den Nullvektor aus, solange die Regelabweichung AG in einem zulässigen Bereich bleibt. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn ein als Maximalwert vorgegebener Grenzwert unterschritten oder ein als Minimalwert vorgegebener Grenzwert überschritten wird. Wechselt dagegen die Regelabweichung AG das Vorzeichen in den entsprechenden, unzulässigen Bereich, gibt der asymmetrische Regler 71 einen von Null verschiedenen Stellgrößenkorrekturvektor AUG aus, der so gewählt ist, dass der Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 1 in Richtung des zulässigen Bereichs gedrängt wird, wobei insbesondere der Istwert der physikalischen Größe Gi in den zulässigen Bereich gedrängt wird. Dies ist schematisch in Fig. IIb) in einem Diagramm für einen Fall dargestellt, in welchem der vorherbestimmte Grenzwert Gs einen Maximalwert darstellt, welcher nicht überschritten werden darf. Solange sich der Istwert Gi in dem zulässigen Bereich unterhalb des Grenzwerts Gs bewegt, ist die in der Subtraktionsstelle 55 berechnete Regelabweichung AG größer als Null, sodass der asymmetrische Regler 71 den Nullvektor ausgibt. Überschreitet dagegen der Istwert Gi den Grenzwert Gs, wird die Regelabweichung AG negativ, sodass ein von Null verschiedener Stellgrößenkorrekturvektor AUG von dem asymmetrischen Regler 71 ausgegeben wird. Dabei ist in Figur I Ib) angedeutet, dass die Regelverstärkung für den asymmetrischen Regler 71 vergleichsweise hoch gewählt wird, sodass sich eine vergleichsweise steile Abhängigkeit des Stellgrößenkorrekturvektors AUG von der Regelabweichung AG ergibt. Dies entspricht dem Schutzgedanken für die Brennkraftmaschine 1 , gemäß welchem der Betriebspunkt der
Brennkraftmaschine möglichst zuverlässig und schnell von dem unzulässigen Bereich
weggedrängt werden soll, wobei er jedenfalls die durch die Begrenzung definierte Hyperfläche in dem Hyperraum der Betriebsgrößen nicht oder nur kurzfristig durchstoßen darf.
In dem hier beschriebenen Fall ist also ein Schutzregelkreis vorgesehen, der durch eine einseitige Übertragungsfunktion ausgestaltet ist. Dabei ist es möglich, dass die Ermittlungsstruktur 57 nun entlang einer Hyperfläche, die einen Grenzwert für eine zu begrenzende physikalische Größe G beschreibt, ein Optimum und/oder ein Extremum für wenigstens eine andere physikalische Größe G sucht. Dabei kann die durch die Begrenzung definierte Grenzhyperfläche nicht oder nur kurzfristig durchstoßen werden.
Die Stellgrößenkorrekturvektoren AUG, welche aus den verschiedenen Regelstrukturen resultieren, werden gemäß den Gleichungen (3), (4) zu dem Stellgrößenkorrekturvektor Au aufsummiert, also miteinander überlagert oder superponiert.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist es möglich, dass die
Ermittlungsstruktur 57 für jede auszuregelnde physikalische Größe G ein Teilmodell aufweist, welches die entsprechende physikalische Größe G in Abhängigkeit von dem Stellgrößenvektor u sowie gegebenenfalls abhängig von Umwelt- und/oder Alterungseinflüssen modelliert. Das entsprechende Teilmodell stellt dann eine Abbildung zwischen der physikalischen Größe G und den Stellgrößen der Brennkraftmaschine 1 , nämlich den Komponenten des Stellgrößenvektors u dar. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist es möglich, dass die Ermittlungsstruktur 57 als Gesamtmodell ausgebildet ist, welches die Brennkraftmaschine 1 insgesamt und insbesondere alle relevanten physikalischen Größen G derselben in Abhängigkeit von allen Stellgrößen, mithin von dem Stellgrößenvektor u, modelliert. In diesem Fall weist die Ermittlungsstruktur 57 in einheitlicher Weise, nämlich in Form des Gesamtmodells, eine Vielzahl von Abbildungen oder eine Gesamtabbildung zwischen den verschiedenen physikalischen Größen G und dem Stellgrößenvektor u auf. Besonders bevorzugt weist die Ermittlungsstruktur 57 einen Hyperraum auf, der von allen Betriebsgrößen, nämlich den Stellgrößen und den physikalischen Größen G der Brennkraftmaschine 1, aufgespannt wird, wobei auf dem Hyperraum eine Abbildung oder eine Mehrzahl von Abbildungen zwischen den physikalischen Größen G und den Stellgrößen definiert ist/sind.
Fig. 12 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Bei dieser Ausführungsform des Verfahrens werden abhängig von dem Drehmoment M oder einer Lastanforderung sowie der Drehzahl n der Brennkraftmaschine 1 aus einer Mehrzahl von Normkennfeldern 33 Norm werte für Stellgrößen ausgelesen, die hier in einem Normvektor unorm zusammengefasst sind. Dabei können die Normkennfelder 33 beispielsweise ein Kennfeld für einen Spritzbeginn, ein Kennfeld für eine AGR-Klappenstellung, ein Kennfeld für einen Ladedruck und/oder ein Kennfeld für einen Hochdruck in einem Rail eines Common-Rail-Einspritzsystems umfassen. Es können weniger oder mehr Kennfelder 33 vorgesehen sein, auch weitere und/oder andere Kennfelder 33 können vorgesehen sein. Insoweit ist die hier gegebene Aufzählung nicht abschließend zu verstehen, und die genannten Normkennfelder können in beliebiger Weise kombiniert werden. In der Summationsstelle 37 wird ein Stellgrößenkorrekturvektor Au'ges auf den Normvektor unorm addiert, woraus schließlich der Stellgrößenvektor u resultiert. Dieser wird - wie bereits in Zusammenhang mit Figur 6 erläutert - den Reglern 39 zugeführt, welche ihrerseits dann die Stellelemente 41 ansteuern. Der einfacheren Darstellung wegen sind hier die Regler 39 und die Stellelemente 41 in einem Kästchen zusammengefasst. Aus der entsprechenden Ansteuerung der Brennkraftmaschine 1 resultiert wiederum der Messvektor x, welcher beispielsweise die Drehzahl n und/oder das Drehmoment M umfassen kann, oder auch weitere Größen, welche gegebenenfalls wiederum als Eingangsgrößen in das Verfahren eingehen.
Es zeigt sich in Zusammenhang mit Figur 12, das bei der hier dargestellten, bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wenigstens eine physikalische Größe der Brennkraftmaschine 1 gesteuert oder geregelt wird, indem auf der Grundlage der von der Ermittlungsstruktur 57 umfassten wenigstens einen Abbildung Korrekturwerte für Stellgrößen der Brennkraftmaschine berechnet werden, nämlich hier der Stellgrößenkorrekturvektor Au'ges, wobei die Korrekturwerte auf Normwerte, hier nämlich den Normvektor unorm für die Stellgrößen angerechnet werden. Es zeigt sich weiterhin, dass mit den auf der Grundlage der Abbildung ermittelten
Stellgrößenwerten, hier nämlich dem Stellgrößenvektor u, separate Regel- oder
EinStelleinrichtung 39 für Stellelemente 41 angesteuert werden, wobei die Regel- oder
EinStelleinrichtungen 39 den Stellgrößen zugeordnet sind. Im Folgenden wird nun die Berechnung des Stellgrößenkorrekturvektors Au'ges näher erläutert.
Der aktuelle Stellgrößenvektor u geht in wenigstens eine Regel- oder Einstellstruktur gemäß den Figuren 9 bis 11 ein. Bevorzugt gehen weitere Größen hier ein, insbesondere vorzugsweise ein Umweltvektor z, der Umgebungs- und/oder Alterungseinflüsse erfasst, das Drehmoment M oder die Lastanforderung, sowie die Drehzahl n der Brennkraftmaschine 1. Diese Informationen können vorzugsweise neben dem Stellgrößenvektor u insbesondere in die Ermittlungsstruktur 57 eingehen und von dieser berücksichtigt werden. Dies wurde der einfacheren Darstellung wegen in den Figuren 9 bis 11 zunächst unberücksichtigt gelassen. Bei der dargestellten
Ausführungsform sind hier zwei Regelstrukturen, nämlich eine erste Regelstruktur RG1 für eine erste physikalische Größe Gl und eine zweite Regelstruktur RG2 für eine zweite physikalische Größe G2 vorgesehen. Es sind außerdem zwei Einstellstrukturen vorgesehen, nämlich eine erste Einstellstruktur EG3 für eine dritte physikalische Größe G3, sowie eine zweite Einstellstruktur EG4 für eine vierte physikalische Größe 4. Selbstverständlich ist es möglich, dass im Rahmen des Verfahrens mehr oder weniger Regel- und/oder Einstellstrukturen berücksichtigt werden. Die Regelstrukturen sind - insbesondere je nach der auszuregelnden physikalischen Größe - als erste Regelstruktur 53 oder als zweite Regelstruktur 65 gemäß den Figuren 9a) und 9b) ausgebildet.
Die Einstellstrukturen sind bevorzugt ausgebildet wie die in Figur 10 dargestellte Einstellstruktur 67.
Zusätzlich oder alternativ zu den hier dargestellten Regel- und Einstellstrukturen ist
vorzugsweise eine Regelstruktur für eine weitere physikalische Größe vorgesehen, welche im Sinne einer Schutzfunktion für die Brennkraftmaschine 1 begrenzt werden soll. Diese
Regelstruktur ist dann vorzugsweise gemäß der dritten Regelstruktur 69 nach Figur 11 ausgebildet. Bei der weiteren physikalischen Größe kann es sich beispielsweise um einen Zylinderdruck der als Hubkolbenmotor ausgebildeten Brennkraftmaschine 1 handeln.
Selbstverständlich sind weitere Regel-, Einstell- und/oder Begrenzungsstrukturen möglich. Besonders bevorzugt wird eine Ausführungsform des Verfahrens, bei welcher als erste physikalische Größe Gl eine Stickoxid-Emission der Brennkraftmaschine 1, mithin eine Stickoxidkonzentration im Abgas der Brennkraftmaschine 1 , ausgeregelt wird, wobei in diesem Fall die erste Regelstruktur RG1 bevorzugt gemäß der ersten Regelstruktur 53 nach Figur 9a) ausgebildet ist. Als zweite physikalische Größe G2 wird vorzugsweise eine Schwärzung des Abgases der Brennkraftmaschine 1 ausgeregelt, wobei die zweite Regelstruktur RG2 bevorzugt ausgebildet ist wie die zweite Regelstruktur 65 gemäß Figur 9b). Als dritte physikalische Größe G3 wird vorzugsweise ein Verbrauch der Brennkraftmaschine an Brennstoff minimiert, wobei die erste Einstellstruktur EG3 bevorzugt ausgebildet ist wie die Einstellstruktur 67 gemäß Figur 10. Als vierte physikalische Größe G4 wird vorzugsweise eine Abgastemperatur der
Brennkraftmaschine 1 auf einen Maximalwert maximiert, um einen Partikelfilter zu
regenerieren. In diesem Fall ist die zweite Einstellstruktur EG4 ebenfalls ausgebildet wie die
Einstellstruktur 67 gemäß Figur 10, nur dass hier statt einer Minimumsuche eine Maximumsuche durchgeführt wird. Alternativ ist es aber auch möglich, die Abgastemperatur zur Regeneration eines Partikelfilters auf einen Sollwert zu regeln, wobei dann anstelle der zweiten
Einstellstruktur EG4 eine nicht dargestellte Regelstruktur RG4 zur Anwendung kommt, die insbesondere wie die erste Regelstruktur 53 oder wie die zweite Regelstruktur 65 ausgebildet ist.
Aus der ersten Regelstruktur RG1 resultiert hier ein Korrekturvektor AUGI, welcher einer Ausregelung der ersten physikalischen Größe Gl dient. Aus der zweiten Regelstruktur RG2 resultiert hier ein zweiter Korrekturvektor AUG2, welcher der Ausregelung der zweiten physikalischen Größe G2 dient. Aus der ersten Einstellstruktur EG3 resultiert hier ein dritter Korrekturvektor AUG3, welcher hier der Minimierung der dritten physikalischen Größe G3 dient. Aus der zweiten Einstellstruktur EG4 resultiert hier ein vierter Korrekturvektor AUG4, welcher in diesem Fall der Maximierung der vierten physikalischen Größe G4 dient. Entsprechend können aus weiteren oder anderen Regel- oder Einstellstrukturen weitere oder andere, bestimmten physikalischen Größen G zugeordnete Korrekturvektoren AUG resultieren. Es zeigt sich hier, dass die beiden Einstellstrukturen EG3, EG4 einander in ihren Zielen widersprechen: Es ist nicht zugleich möglich, den Verbrauch der Brennkraftmaschine 1 an Brennstoff zu minimieren und die Abgastemperatur zu maximieren. Es ist daher bevorzugt eine Umschalteinrichtung 73 vorgesehen, mithilfe derer wenigstens eine der Einstellstrukturen EG3, EG4 auf eine gemeinsame Addition der Korrekturvektoren aufgeschaltet werden kann, wobei die Umschalteinrichtung 73 bevorzugt eingerichtet ist zum Umschalten zwischen der ersten
Einstellstruktur EG3 und der zweiten Einstellstruktur EG4. Besonders bevorzugt ist die
Umschalteinrichtung 73 eingerichtet, um betriebspunktabhängig zwischen diesen Einstellstrukturen EG3, EG4 umzuschalten. Dabei ist eine sequentielle Umschaltsteuerung mit weichen Übergängen nicht erforderlich, da durch die inkrementelle Anregelung im Rahmen des Verfahrens von selbst eine weiche Umschaltung erfolgt. Mittels der Umschalteinrichtung 73 ist es insbesondere möglich, zu verschiedenen Zeiten - vorzugsweise verschiedene - Bedingungen an verschiedene physikalische Zielgrößen G aufzustellen.
Wie bereits angedeutet, werden die verschiedenen, den einzelnen physikalischen Größen G zugeordneten Korrekturvektoren einander überlagert oder einander superponiert
beziehungsweise miteinander addiert, sodass schließlich ein Gesamt-Stellgrößenkorrekturvektor Auges resultiert. Es ist möglich, dass dieser direkt der Summationsstelle 37 zugeleitet wird. Bei der hier dargestellten Ausführungsform ist allerdings zusätzlich ein Beeinflussungselement 75 vorgesehen, in welches maximale Stellgrößen und/oder Stellgrößenanschläge als
Komponenten eines Stellgrößenbegrenzungsvektors umax eingehen. Dabei werden die
Komponenten des Korrekturvektors Auges vorzugsweise bei Unterschreiten eines
Minimalabstandes zu den entsprechenden Komponenten des Stellgrößenbegrenzungsvektors uma5 in dieser Richtung beschnitten, zu Null gesetzt, oder mit einer kleinen Freifahrkomponente entgegen der Richtung der Stellgrößenbegrenzung beaufschlagt, um letztlich den
Stellgrößenvektor u wieder von der entsprechenden Stellgrößenbegrenzung zu entfernen. Dabei wirkt sich in vorteilhafter Weise das Beeinflussungselement 75 auf den Gesamtkorrekturvektor Auges aus, sodass das Beeinflussungselement 75 nur einmal vorgesehen sein muss, was eine erhebliche Vereinfachung im Vergleich zu einer Beeinflussung jeder einzelnen Komponente des Gesamtkorrekturvektors Auges, mithin jeder einzelnen Stellgröße, bedeutet. Als Ergebnis resultiert aus dem Beeinflussungselement 75 der veränderte Gesamtkorrekturvektor Au'ges, der dann schließlich in die Summationsstelle 37 eingeht und dort zu dem Normvektor unorm addiert wird. Mithilfe des Beeinflussungselements 75 werden also Stellelementanschläge oder
Stellgrößenbegrenzungen bei der Beeinflussung der Stellgrößen berücksichtigt.
Insgesamt zeigt sich, dass mithilfe des Verfahrens und insbesondere mittels der
Ermittlungsstruktur 57 eine Betrachtung der physikalischen Kopplung einzelner Stellgrößen möglich ist, sodass ein verbessertes Verhalten des Gesamtsystems der Brennkraftmaschine 1 einschließlich deren Abgasnachbehandlungssystem erreicht werden kann. Abweichungen im Sollverhalten können durch übergeordnete Betrachtung des Gesamtsystems über weitere
Bereiche ausgeglichen werden. Ebenso können Veränderungen in den Umweltbedingungen über weitere Bereiche ausgeglichen werden, und es kann zumindest in bestimmten Betriebsbereichen ein Verbrauchsvorteil erreicht werden. Durch die übergeordnete Betrachtung und die koordinierte Regelung des Systems können gegebenenfalls Alterungsreserven und
Sicherheitsabstände zu einzuhaltenden Grenzwerten oder Sicherheitsaufschläge zu bestimmten Komponenten, beispielsweise in Bezug auf ein Katalysatorvolumen, geringer gehalten werden. Katalysatoren lassen sich demnach kleiner auslegen, da bei Erreichen ihrer Grenzumsatzrate ein geringerer Emissionsbereich für die Brennkraftmaschine 1 eingeregelt werden kann, sodass ein Katalysator nicht mehr an seiner Grenz-Umsatzrate und damit in einer Begrenzung gefahren wird, sondern wiederum Stell- oder Regelreserve aufweist. Auf diese Weise wird der Katalysator freigefahren.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1), wobei zur Steuerung oder Regelung der Brennkraftmaschine (1) wenigstens eine Abbildung (A) verwendet wird, welche - wenigstens eine physikalische Zielgröße (G) der Brennkraftmaschine (1) in Abhängigkeit von einer Mehrzahl von Stellgrößen (u) der Brennkraftmaschine (1) beschreibt, wobei
- wenigstens eine Bedingung für die wenigstens eine physikalische Zielgröße (G)
aufgestellt wird, wobei in Echtzeit anhand der Abbildung (A) Stellgrößenwerte für die Stellgrößen (u) ermittelt werden, mit denen die wenigstens eine Bedingung durch die wenigstens eine
physikalische Zielgröße (A) erfüllt ist, wobei die Brennkraftmaschine (1) mit den derart ermittelten Stellgrößenwerten angesteuert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine
physikalische Zielgröße (G) ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus einer Stickoxid- Konzentration im Abgas, einer Ruß-Konzentration im Abgas, einem Spitzendruck in einem Brennraum der Brennkraftmaschine, einem Abgasmassenstrom, einer Abgastemperatur, einem abgegebenen Moment der Brennkraftmaschine, und einem Brennstoffverbrauch.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgrößen (u) ausgewählt sind aus einer Gruppe bestehend aus einem Ladedruck, einer
Ladeluft-Temperatur, einer Drehzahl, einem Verbrennungsluft-Brennstoff- Verhältnis, einer Abgasrückführrate, einem Spritzbeginn, einer einem Brennraum der Brennkraftmaschine zugeführten Brennstoffmenge, einer Anzahl befeuerter Brennräume der Brennkraftmaschine, einem Raildruck, und einer Dosiermenge an Reduktionsmittel in einen Abgasstrom.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abbildung (A) verwendet wird, die ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus einer physikalischen oder thermodynamischen Funktion, einer approximativen mathematischen Funktion, insbesondere einem Polynom, einer Exponentialfunktion oder einer Vibe-Funktion oder einer Mehrzahl von Vibe-Funktionen, einem statistischen Modell, einer Lookup-Tabelle, und einem neuronalen Netz.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Bedingungen an eine Mehrzahl von physikalischen Zielgrößen (G) gleichzeitig durch Ermitteln von geeigneten Stellgrößenwerten erfüllt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Bedingung ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus der Vorgabe eines Sollwerts, dem Einhalten eines Grenzwerts, und dem Aufsuchen eines Extremums.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Bedingung als Gütemaß aufgestellt wird, wobei das Gütemaß in Echtzeit - vorzugsweise unter wenigstens einer Nebenbedingung - optimiert wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Abbildung (A) auf einem mehrdimensionalen Raum definiert ist, wobei die Stellgrößenwerte zur Erfüllung der wenigstens einen Bedingung durch Gradientenbildung in dem mehrdimensionalen Raum berechnet werden.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zu verschiedenen Zeiten Bedingungen an verschiedene physikalische Zielgrößen (G) aufgestellt werden.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Bedingung an die wenigstens eine physikalische Zielgröße (A) bei einem
Ausfall eines einer Stellgröße (u) zugeordneten Stellelements (5) durch Anpassen der
Stellgrößenwerte für die übrigen Stellgrößen (u) erfüllt wird, wobei vorzugsweise wenigstens eine Bedingung einer Mehrzahl von Bedingungen an eine Mehrzahl von physikalischen
Zielgrößen (G) aufgegeben wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Stellgrößenwerte Sollwerte für separate Regel- oder EinStelleinrichtungen (7) berechnet werden, wobei die separaten Regel- oder EinStelleinrichtungen (7) den Stellgrößen (u) jeweils zugeordnet sind.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Stellgrößenwerte Stellwerte berechnet werden, welche direkt zur Ansteuerung von den
Stellgrößen (u) zugeordneten Stellelementen (5) verwendet werden.
13. Steuereinrichtung für eine Brennkraftmaschine (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung eingerichtet ist zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
14. Brennkraftmaschine (1), gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung nach Anspruch 13.
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