WO2016170063A1 - Verfahren und vorrichtung zur modellbasierten optimierung einer technischen einrichtung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur modellbasierten optimierung einer technischen einrichtung Download PDF

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technical
empirical
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PCT/EP2016/058908
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Michael Kordon
Christian KOZLIK
Kurt KLUMAIER
Ingo Allmer
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    • G06F30/10—Geometric CAD
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Definitions

  • the invention relates to a method and a device for model-based optimization of a technical device, in particular an internal combustion engine.
  • model-based development methods In order to handle the increasing development and calibration effort in engine development with reasonable effort, model-based development methods have become an important part of the calibration process. In order to be able to use such model-based development methods efficiently in the engine development process, the methods must be able to calculate transient processes of the internal combustion engine in real time.
  • EP 1 150 186 A1 relates to a method for automatically optimizing an output variable of a system dependent on several input variables, for example an internal combustion engine, while maintaining secondary conditions, wherein a theoretical value for the output variable and the secondary conditions is based on a model function with the input variables as variables be determined and thereby in each case one of the input variables within a variation space is changed in successive individual steps.
  • Corresponding values for output variables and secondary conditions corresponding to the respective input variables are determined directly at the system and used to correct the model functions until the model functions fulfill the secondary conditions and achieve optimum values for the output variable.
  • WO 2013/131836 A2 relates to a method for optimizing internal combustion engines, in particular for optimizing emissions and consumption, in which at least one of the secondary influencing variables is set via correction functions in their control units in each operating point given by the parameters temperature, load and speed such that The emission limit values are complied with in different load speed ranges and in different temperature ranges.
  • a test strip for the operating points and secondary factors is created using mathematical models of the control unit function and the internal combustion engine with respect to the size to be optimized and driven on the test stand, in a second step from the measured data on the test bench a model for each size to be optimized is created, and in a third step, based on this model, the optimal values of the secondary variables are determined in compliance with the emission limit values and these values are used by the control unit for the initial correction functions.
  • EP 1 703 1 10 A1 relates to a method for optimizing the calibration of internal combustion engines taking into account dynamic state changes of the engine and using a neural network, wherein the calibration test starts from a start condition and changes of the parameters defined for the calibration are set.
  • DE 10 201 1 013 481 A1 relates to a method for controlling an internal combustion engine and an internal exhaust gas recirculation.
  • the internal exhaust gas recirculation is adjustable via a variable valve control of valves of the internal combustion engine.
  • a total gas mass and an oxygen content in a combustion chamber of the internal combustion engine is determined.
  • a desired total gas mass and a desired oxygen content in the combustion chamber are determined for a given operating point of the internal combustion engine.
  • an actuator of the internal combustion engine is set.
  • US 2014/0326213 A1 relates to a controller that predicts a predicted value of turbocharging pressure based on a predicted value of a throttle opening degree using a physical model of the turbocharged engine.
  • the controller also calculates a correction amount.
  • a measured value of the turbocharging pressure is detected by a turbocharged pressure sensor, and an estimated value of the turbocharging pressure is calculated based on a measured value of a throttle opening degree using a physical model of the turbocharged engine.
  • a difference between the measured value and the estimated value of the turbocharging pressure is calculated, and the difference is used as a correction amount for the predicted value of the turbocharging pressure.
  • the controller calculates a predicted value of the amount of cylinder intake air. It is an object of the invention to provide a method and a device for model-based optimization of a technical device, in particular an internal combustion engine, which make it possible to move further development tasks of the device from a real to a virtual test bench. With respect to internal combustion engines, it is a further task here to perform the power and emission calibration, but preferably also an application under non-standard environmental conditions on the virtual test bench. Another object is preferably to enable a real-time capable overall system simulation of the technical device.
  • An inventive method for model-based optimization, in particular calibration of a technical device, in particular an internal combustion engine preferably has the following steps: detecting at least a first parameter with respect to the technical device to be optimized, which is suitable to characterize a physical quantity; first determining at least one second parameter with respect to the technical device to be optimized by at least one first physical model suitable for characterizing at least one known physical relationship, and for which the at least one first parameter is an input parameter; second determination of at least one third parameter with respect to the technical device to be optimized by at least one first empirical model, which is based on measurements on a plurality of already known technical devices of the same type, in particular internal combustion engines, and for which at least the at least one second parameter is an input parameter is, wherein the at least one third parameter is suitable to characterize the technical device to be optimized and / or make on its basis a change in the technical device to be optimized, in particular to adjust their control; and outputting the at least one third parameter.
  • an overall system of the technical device to be optimized is characterized by at least one first physical model which characterizes at least one known physical relationship and at least one empirical model based on measurements on a plurality of already known technical devices of the same genus, in particular internal combustion engines, simulated.
  • the at least one physical model and / or the at least one empirical model preferably additionally depend on a machine-specific setting parameter in order to adapt the respective model to the technical device to be optimized.
  • a first phase of the method at least one measuring point in the operation of the technical device to be optimized is measured and the machine-specific setting parameter is determined on the basis of the at least one measuring point by comparing measured values with values of the measuring point calculated on the basis of the models.
  • measurements are no longer made in the operation of the technical device to be optimized, and the overall system of the technical device to be optimized is simulated by means of the at least one physical model and the at least one empirical model, one determined by means of the at least one physical model second parameter as an input parameter is included in the at least one empirical model.
  • a device for model-based calibration of a technical device, in particular an internal combustion engine, preferably has a measuring device for detecting at least one first parameter with respect to the technical device to be calibrated, which is suitable for characterizing a physical variable.
  • the device preferably also has a memory device in which at least one first physical model of a known physical relationship and at least one first empirical model, which is based on measurements on a plurality of already known technical devices of the same type, in particular internal combustion engines, are stored are.
  • the device preferably has a first allocation device in order to associate the first parameter with a second parameter on the basis of the at least one first physical model, and a second allocation device, at least allocating a third parameter to the second parameter based on the at least one first empirical model.
  • the device preferably has an interface for outputting the at least one third parameter, the third parameter being suitable for characterizing the technical device to be calibrated and / or for making changes to the technical device to be optimized, in particular for controlling it adjust.
  • Detecting within the meaning of the invention is a read-in of parameter values, in particular by automatic or manual input and / or an execution of measurements for determining a parameter.
  • a physical quantity in the sense of the invention is a quantitatively determinable property of a physical object, process or state. It is preferably expressed as the product of a numerical value (the measure) and a unit of measure. Vector sizes are indicated by a size value and direction. Preferably, the units of measurement are defined according to the SI standard.
  • Determining within the meaning of the invention is an assignment of an output parameter to an input parameter, in particular on the basis of a function, function table or other assignment rule.
  • a physical model in the sense of the invention represents a known physical relationship, which is based in particular on basic physical functions.
  • physical models are generally valid at least for the type of technical equipment of which a technical device is to be optimized, but in particular for all technical devices.
  • a physical model can consist of a physical formula or of several physical formulas or physical relationships.
  • An empirical model according to the invention is based on measured values at a plurality of already known technical devices in his Logic built. Preferably, methods of the compensation calculation, in particular regression models, are used.
  • a plurality according to the invention are at least two.
  • Output within the meaning of the invention is a representation for a user or provision of at least one value to a further working step of the method according to the invention.
  • a parameter value is further used in the output within the model-based optimization method.
  • a genus in the sense of the invention denotes an assignment of a technical device to a group of technical devices.
  • the invention is based, in particular, on the approach of coupling individual models as submodels with one another in a model-based optimization, so that real-time-capable optimization of the technical device, for example the combustion of an internal combustion engine, is possible.
  • empirical models are, as far as possible, replaced by physical models that reflect a universally valid physical relationship.
  • the calculations are preferably not crankshaft-angle-resolved, ie according to the invention values are not calculated over the entire cycle of a crankshaft revolution in cyclic intervals of the crankshaft angle.
  • crank angle positions in particular in the combustion center of gravity (MFB 50%), the injection time and / or the ignition time, are preferably calculated.
  • MFB 50% combustion center of gravity
  • the injection time and / or the ignition time are preferably calculated.
  • the number of empirical submodels can be significantly reduced.
  • the input parameters in the empirical submodels can be selected so that a plurality of motors can be mapped with one and the same set of input parameters.
  • the adaptations of the individual empirical submodels to the respective technical device to be optimized can then be done via adjustment parameters.
  • the adjustment parameter preferably enters the corresponding model as an additional input parameter.
  • the machine-specific adjustment parameter is an input parameter in the empirical model.
  • the machine-specific adjustment parameter preferably has a coefficient in a polynomial model approach, as well as all other terms of the polynomial.
  • the setting parameter of a model is preferably constant over the operating range of a single technical equipment, but varies depending on the technical equipment.
  • the coefficients of the model are preferably constant for the entire operating range of a technical facility, but also for all other technical facilities. Since a setting parameter is not a simple offset value, not only the position of the functions of the individual models but also its model quality changes, in particular the coefficient of determination R 2 with respect to the residuals can be significantly improved.
  • crank angle positions at which the parameters according to the invention are calculated are executed causally one after the other in the order of the combustion process.
  • an output engine output heat flows into the cooling water and into the exhaust gas and nitrogen oxide emissions are calculated.
  • combustion parameters start, center of gravity and peak pressure, heat flow, engine power, gas temperature, nitrogen oxide emissions or soot emissions.
  • a multiplicity of measurements are preferably made according to the invention to a plurality of already known technical devices, and based on the measured data, in particular by means of a regression analysis, empirical models, in particular polynomial models, are created.
  • the quality of the empirical models is all the better, the more well-known technical devices of the type of technical equipment to be optimized are used to produce the empirical models.
  • the method according to the invention and the corresponding apparatus for model-based optimization can provide qualitatively and also quantitatively true statements without the presence of measured data.
  • the value of the setting parameter of an empirical submodel can be determined exactly by measuring a few operating points or even a single operating point.
  • This adjustment parameter is consequently constant over the entire operating range of the technical device to be optimized.
  • the adjustment parameter can be determined for example by a measurement under standard conditions on a test bench. As a result, the calibration of the technical equipment on the test bench can be continued under standard conditions on the test bench, whereas the calibration is carried out under different conditions with the model.
  • At least the second determination of the at least one third parameter is carried out exclusively in at least one predetermined time, in particular crankshaft position, of the technical device, in particular an injection time, closing of an intake valve, ignition point and / or combustion center (MFB 50 %).
  • this further comprises the step of normalizing the at least one first parameter and / or the at least one second parameter and / or the at least one third parameter, preferably with respect to a power potential of the technical device to be optimized , in particular with respect to a displacement of the internal combustion engine.
  • the parameters are preferably related specifically to the liter displacement. Based on this, if necessary, the following specific measurands can be used:
  • this further comprises the steps of third determining at least one fourth parameter by a second physical model and / or by a second empirical model based on the at least one third parameter and / or on the basis at least one of a plurality of first parameters and / or at least one second parameter of a plurality of second parameters.
  • the at least one fourth parameter is suitable for characterizing the technical device to be optimized and / or for making a change in the technical device to be optimized on the basis thereof, in particular for setting a control of the technical device to be optimized. Further preferably, this fourth parameter is output in a further work step.
  • a further advantageous embodiment of the method according to the invention comprises the steps of fourthly determining at least one further parameter by at least one further physical model and / or by at least one further empirical model based on the at least one a third parameter and / or on the basis of the at least one fourth parameter and / or based on at least one of a plurality of parameters and / or at least a plurality of second parameters, wherein the at least one further parameter is suitable to the to characterize technical equipment to be optimized and / or to adjust on the basis of which the control of the technical equipment to be optimized.
  • the method according to the invention furthermore has a working step of outputting the at least one further parameter.
  • the third determination of the fourth parameter and / or the fourth determination of the further parameter is performed at a different time of the technical device as the second determination of the third parameter. In this way, points of time which are relevant for the respective physical or empirical models can be processed successively in the order of the function of the technical device. Information resulting from the previously calculated submodels flows directly into the following submodels.
  • the detection, the first determination, the second determination and optionally the third determination and the fourth determination are carried out without measurements on the technical device to be optimized.
  • the method according to the invention has the special their advantage that an optimization after any initial adaptation of the model (s) can be made completely without further measurements on a vehicle on the test bench or in real driving conditions.
  • tests that would have to be performed under non-standard environmental conditions can be easily executed here by a simulation.
  • the at least one physical model and / or the at least one empirical model preferably additionally depend on a machine-specific setting parameter in order to adapt the respective model to the technical device to be optimized.
  • Particularly preferably, only the at least one empirical model depends on a machine-specific setting parameter.
  • a first phase of the method at least one measuring point during operation of the technical device to be optimized is measured and the machine-specific setting parameter is determined on the basis of the at least one measuring point by comparing measured values with values calculated on the basis of the models.
  • no measurements are made in a second phase of the method and the overall system of the technical device to be optimized is simulated by means of the at least one physical model and the at least one empirical model.
  • a second parameter determined by means of the at least one physical model enters into the at least one empirical model as an input parameter.
  • the machine-specific setting parameter enters the at least one physical model as a further input parameter.
  • At least one of the physical models used and / or at least one of the empirical models used additionally depends on a machine-specific input. Adjusting parameters to adapt the respective model to the technical device to be optimized, preferably for different models each use a different setting parameters. The respective adjustment parameters are used in the submodels in order to adapt them to the respective technical device.
  • each setting parameter for a combustion system consisting of nozzle, swirl and combustion chamber is preferably the same for all operating points.
  • the setting parameters are not set individually for each operating point, but only for one hardware configuration at a time.
  • the adjustment parameter can also be a function which depends on further parameters.
  • the adjustment parameters are based on physically based effects, but due to their complexity are difficult to consider in a model. In the case of an internal combustion engine, for example, this is the interaction between injection jet and piston recess during combustion.
  • the adjustment parameters according to the invention are integrated directly into the model structure, thereby making it possible to correctly model direct or indirect effects whose influences do not have the same amount in all model inputs.
  • inventive empirical submodels and their largely physically calculated input variables it is possible, in the case of internal combustion engines combustion in new engines without adaptation of the model coefficients only by specifying the states before and after the cylinder at predetermined times, the geometric data, the fuel properties, the To calculate injection parameters from the engine control unit and by adjusting adjustment parameters.
  • the setting parameters represent a good compromise between parameterizing effort and model accuracy and are used in particular in a diesel engine or gasoline engine in order to adapt the compression, the ignition delay, the burn-through speed as well as the power loss, in particular the friction power, engine-specific.
  • the combustion process can be calculated in this way, preferably in the case of internal combustion engines (but of the same type) not involved in the production of the empirical models.
  • the setting parameters for the empirical submodels are chosen so that all motors with and can be mapped to the same parameter set.
  • the use of adjustment parameters as additional model inputs into the empirical submodels has the advantage that interactions of adjustment parameters and model input parameters can occur and therefore the adjustment parameters are not constant offsets or factors.
  • a compression setting parameter or polytropic exponent setting parameters for a polytropic exponent model, an ignition delay setting parameter for an ignition delay model, a combustion focus setting parameter for the combustion center model (MFB 50%), a motor friction are available as setting parameters
  • the compression set parameter, the ignition delay setting parameter, the combustion focus setting parameter, and the engine friction adjusting parameter For a gasoline engine, preferably the ignition delay adjustment parameter, the combustion focus adjustment parameter, the engine friction adjustment parameter, the fuel charge adjustment parameter, the residual gas control parameter, the charge cycle loss adjustment parameter and the high pressure power adjustment parameter are used.
  • a value of at least one machine-specific setting parameter is the same for all operating points of the technical device to be optimized, in particular the internal combustion engine, wherein the internal combustion engine is preferably defined by at least one of the following groups: nozzle, combustion chamber and charge movement , in particular spin or tumble; Valve characteristics and inlet geometry; Power dissipation characteristics.
  • the setting parameters for a combustion system comprising a nozzle, swirl and combustion chamber, are preferably the same for all operating points.
  • the setting parameters need not be set individually for each operating point but only for a hardware configuration of the motor.
  • mean values from the setting parameters found during model creation can be used.
  • the machine-specific adjustment parameter is a further input parameter for the respective model, which is constant for the entire operating range of the technical device to be optimized.
  • the setting of the machine-specific setting parameter is dependent on the technical device to be optimized.
  • the adjustment parameter is preferably constant. The method according to the invention therefore makes it possible to adapt the overall model or the respective submodels to a specific technical device in a particularly simple manner and once.
  • the output value for a machine-specific setting parameter of the technical device to be optimized is determined on the basis of the values of setting parameters of the plurality of already known technical devices, in particular an average value.
  • this further preferably has the following working steps: measuring at least one measuring point during operation of the technical device to be optimized; and determining the machine-specific adjustment parameter on the basis of the at least one measurement point by comparing measured values with calculated values of the first parameter or the second parameter with the same input parameters.
  • this further includes the step of detecting the at least one second parameter and determining the at least one machine-specific Einstellpa- parameter based on the at least one detected second parameter, in particular by comparing at least one detected value at least one value of the at least one third parameter determined on the basis of the first empirical model.
  • the at least one third parameter is detected which determines at least one machine-specific setting parameter on the basis thereof, in particular by comparing at least one detected value with at least one value of the at least one third parameter determined on the basis of the first empirical model.
  • the at least one fourth parameter is also detected and the at least one adjustment parameter based on the detected at least one fourth parameter, in particular by comparing at least one detected value with at least one determined by the second empirical model value of the at least one fourth parameter.
  • the at least one further parameter is detected and the at least one adjustment parameter is determined on the basis of the detected at least one parameter, in particular by comparing at least one detected value with a value of the at least one further parameter found on the basis of the further empirical model.
  • this further comprises the operating step of changing at least one first parameter of the technical device to be optimized on the basis of the at least one third parameter, the at least one fourth parameter and / or the at least one further parameter.
  • this has the working step of changing the at least one first parameter of the technical device to be optimized on the basis of the at least one third parameter, the at least one fourth parameter and / or the at least one further parameter.
  • the at least one first parameter is predetermined or set by a control device for the technical device to be optimized.
  • the control function or functions stored on a control unit for the technical device can be checked.
  • the response of the method according to the invention corresponds to the simulated reaction of the technical device.
  • the at least one first parameter can be influenced by a change in constructive features of the technical device to be optimized.
  • the at least one empirical model is a polynomial model, the coefficients of which are determined by means of a compensation calculation based on the measurements on the plurality of already known technical devices of the same type, in particular internal combustion engines, wherein the adjustment parameter is an input parameter of the empirical model, which is multiplied by at least one coefficient and which is constant for the technical device to be optimized.
  • At least one of the following groups is selected as the first parameter: Geometrical data, in particular bore, stroke, connecting rod length, compression ratio, number of cylinders, number of injection holes, flow rate injector and / or cylinder surface / cylinder volume ratio, crank radius, cylinder stroke volume, cylinder compression volume, effective flow area nozzle hole, nozzle hole diameter, valve lift curves, charge flap;
  • Data relating to an operating point in particular injection start of the main injection, rotational speed, main injection quantity, pilot injection quantity, post injection quantity, start of injection injection, cylinder pressure at start of injection, pressure in intake manifold, piston stroke at start of injection, stroke volume at start of injection, cylinder volume at start of injection, temperature at start of injection, Coolant temperature, oil temperature, ignition timing;
  • Air path related data in particular boost pressure, charge air temperature, exhaust manifold pressure, turbine pressure, inlet and outlet valve opening and closing times, EGR rate, degree of delivery, absolute humidity oxygen concentration in air, pressure and temperature in intake manifold, outlet manifold temperature, maximum inlet and outlet valve lift;
  • Fuel system-related data in particular hydraulic delay injection start, hydraulic delay injection end, fuel density, duration of the main injection, start of injection, preferably energization start main injection, end of injection, injection pressure, energization start pilot injection, and / or energization start post-injection, intake manifold temperature, fuel content of the tank ventilation;
  • Combustion-related data in particular lower calorific value, lambda value, cylinder surface at a crank angle of the mixture combusted to 50% (MFB 50%), volume-specific fuel power, volume-specific fuel quantity, volume-specific fuel I ei stung a post-injection.
  • the second parameter and / or the fourth parameter are selected from at least one of the following groups, which are determined on the basis of a physical model: Fuel mass flow, in particular, this can be calculated from consumed in a measuring time volume and the known fuel density, wherein at least one parameter is selected from the following group as the input parameter for a physical model for determining the fuel mass flow in the cylinder
  • In-cylinder gas composition in particular oxygen concentration in the cylinder, wherein as input parameter for a physical model for determining the gas composition in the cylinder at least one parameter is selected from the following group:
  • Piston movement in particular mean piston speed, piston speed at the start of injection, cylinder volume at the start of injection and / or compression ratio at the start of injection, in particular effective compression ratio at start of injection, cylinder volume at intake valve closing, cylinder volume at ignition timing, piston speed at intake valve closing, piston speed at ignition timing, being used as input parameter for a physical model for determining piston movement is selected at least one parameter from the following group:
  • thermodynamic state in the cylinder at the start of injection with at least one parameter selected from the following group as input parameter for a physical model for determining the thermodynamic state in the cylinder at the start of injection:
  • thermodynamic state in the cylinder at intake valve closing with at least one parameter selected from the following group as the input parameter for a physical model for determining the thermody- namic state in the cylinder at intake valve closing:
  • Air mass in the cylinder fresh air and residual gas
  • thermodynamic state in the cylinder at the ignition point wherein at least one parameter from the following group is selected as the input parameter for a physical model for determining the thermodynamic state in the cylinder at the ignition time:
  • Air mass in the cylinder fresh air and residual gas
  • Exit velocity from a nozzle and / or droplet diameter wherein at least one parameter from the following group is selected as the input parameter for a physical model for determining the exit velocity from a nozzle:
  • Drop diameter where at least one parameter from the following group is selected as the input parameter for a physical model for determining the droplet diameter:
  • Nozzle hole diameter wherein at least one parameter from the following group is selected as the input parameter for a physical model for determining the start of combustion:
  • Exhaust gas temperature at the cylinder outlet wherein at least one parameter from the following group is selected as the input parameter for a physical model for determining the exhaust gas temperature at the cylinder outlet:
  • At least one of the following groups is selected as third parameter, fourth parameter and / or further parameters, which are determined on the basis of an empirical model:
  • Polytropic exponent in particular the temperature and pressure at the start of injection, wherein at least one parameter from the following group is selected as the input parameter for an empirical model for determining the polytropic component:
  • Ignition delay with at least one parameter selected from the following group as the input parameter for an empirical model for determining the ignition delay:
  • Combustion focus where at least one parameter from the following group is selected as input parameter for an empirical model for determining the combustion center of gravity:
  • indicated mean pressure of the high-pressure loop wherein at least one parameter from the following group is selected as the input parameter for an empirical model for determining the indicated mean pressure of the high pressure loop:
  • Peak cylinder pressure where at least one parameter from the following group is selected as the input parameter for an empirical model for determining the peak cylinder pressure:
  • Friction loss whereby at least one parameter from the following group is selected as the input parameter for an empirical model for determining the frictional loss:
  • Nitrogen oxide emissions with at least one parameter selected from the following group as input parameter for an empirical model for the determination of nitrogen oxide emissions:
  • Oxygen concentration at the start of burning (from gas composition);
  • Hydrocarbon emissions with at least one parameter selected from the following group as input parameter for an empirical model for the determination of hydrocarbon emissions:
  • Carbon monoxide emissions wherein as input parameter for an empirical model for determining the carbon monoxide emissions at least one parameter is selected from the following group:
  • Soot emission with at least one parameter selected from the following group as input parameter for an empirical model for the determination of nitrogen oxide emissions:
  • the at least one first, the at least one second and / or the at least one third empirical model from the measurements of a plurality of already known technical devices determined by a method of limited squares.
  • at least four different empirical models preferably at least six different empirical models, more preferably eight different empirical models, most preferably eleven different empirical models, are included in the calibration.
  • a machine-specific setting parameter is entered in each of the at least four different empirical models as the input parameter.
  • the empirical models determine a polytropic exponent, an ignition delay, a combustion centroid and a frictional power.
  • At least one first parameter with respect to the technical device to be optimized which characterizes a physical quantity
  • a third parameter determined by the at least one empirical model which is suitable in order to characterize the technical device to be optimized and / or to make a change of the technical device to be optimized based thereon, in particular to set a control of the technical device to be optimized, is output.
  • FIG. 1 shows a block diagram of an embodiment of the method according to the invention for model-based optimization of a technical device
  • Figure 2 is a block diagram illustrating the flow of information relating to the physical models in an optimization of a diesel engine
  • Figure 3 is a representation of the flow of information relating to the empirical models in an embodiment of the method according to the invention in relation to a diesel engine
  • Figure 4 is a representation of the flow of information between the empirical models of an embodiment of the method according to the invention in relation to a diesel engine
  • FIG. 5 shows a representation of the information flow between the empirical models of an embodiment of the method according to the invention in relation to a gasoline engine
  • FIG. 6 shows a flow chart for the creation of a model based on the method according to the invention
  • Figure 7 is a diagram of an operating range of an engine
  • Figure 8 is a parity diagram for an empirical model
  • Figure 9 is another illustration of the parity diagram of Figure 8;
  • Figure 10 is an illustration of an operating range of three motors
  • Figure 1 1 is a parity diagram for an empirical model based on the three motors
  • FIG. 12 shows a parity diagram according to FIG. 11, wherein adjustment parameters are taken into account in the empirical model
  • FIG. 13 shows an interaction diagram for individual input parameters in an empirical model of the ignition delay
  • Figure 14 is a Pahtrelisdiagramm, wherein an empirical model provides different offsets for the individual engines
  • FIG. 15 shows the sequence in the model creation of the individual empirical models for an overall simulation of an internal combustion engine in chronological order
  • Figure 16 is several diagrams of parameters characterizing the operation of an internal combustion engine, both from values measured on a real engine and values calculated with one embodiment of the invention.
  • FIG. 17 shows a comparison of measured values with those calculated according to the invention of some of the parameters from FIG. 16.
  • the invention will be described with reference to an internal combustion engine as a technical device, in particular with reference to a diesel engine.
  • the invention can also basically be applied to the optimization of other technical devices which have modes of operation which allow a division into measured physical quantities, physical models and empirical models.
  • the course of a method for model-based optimization according to the invention will be explained with reference to the block diagram from FIG.
  • model-based optimization come on the one hand physical models, which characterize at least one known physical context, and on the other hand empirical models, which are created by means of a compensation calculation, in particular a regression analysis, based on a plurality of already known technical facilities of the same genus used.
  • phase 1 the empirical models, which reflect the dependencies which are generally valid for a type of internal combustion engine, are adapted to the respective internal combustion engine to be optimized.
  • phase 1 the smallest possible number of measuring points during operation of the internal combustion engine to be optimized, for example on the test bench, measured 10A.
  • the empirical model or models are subjected to the same input parameter values as the engine on the test bench, i. the simulation is carried out for the same measuring point.
  • Measured values of output parameters i.
  • Operating parameters of the internal combustion engine, which are set as a result of the specification of input parameters, are compared with values which were determined on the basis of the empirical model to be adapted or the models for the measuring point.
  • the setting parameter of the empirical model or the setting parameters of the empirical models are finally selected in such a way that the greatest possible agreement with the measured values of the output parameters is achieved 10B.
  • methods of the compensation calculation such as the regression analysis or the method of the smallest error squares can be used.
  • the second phase can in turn be divided into three functional sections A, B, C.
  • Section A physical quantities are detected, in particular input or measured, which serve as input parameters in the models or submodels used according to the invention
  • Section B summarizes the physical models used in the method according to the invention which on the one hand receive physical quantities as input parameters and on the other hand pass on the basis of the physical models determined output parameters to empirical models in section C as input parameters.
  • the empirical models in section C optionally also have physical variables as input parameters which are directly detected quantities and have not passed through a physical model.
  • Output parameters of the empirical models in Section C can in turn be used as input parameters for the physical models in Section B or other empirical models in Section C.
  • the combustion process of an internal combustion engine is simulated cascade-like, wherein in particular the sequence of the empirical submodels used in the invention follows the course of the combustion.
  • the physical quantities in this case characterize the technical device and / or its genre in general and can essentially be subdivided into two categories: On the one hand, these may be physical variables which are predetermined or set by a control device of the technical device to be optimized, for example, the throttle position, etc.
  • these physical quantities may be design features of the technical device to be optimized, which are either known as design data or can be measured. Examples include nozzle geometry, combustion chamber and charge movement, in particular swirl or tumble, valve characteristics, inlet channel geometry and / or power dissipation characteristics. Preferably, more detailed statements about the function of the internal combustion engine can be made on the basis of the detected physical quantities.
  • the first parameters thus acquired are preferably selected in such a way as to supply the physical models in section B and / or the empirical models in section C with the necessary input parameters.
  • the acquired physical quantities are preferably normalized in a further working step in order to make the physical variables comparable with respect to internal combustion engines, rather genus, but for example different power stage 102.
  • a subsequent working step at least one of the acquired physical quantities is used to calculate the physical sub-model 103.
  • the output parameter (s) derived from the physical model are in turn used to calculate an empirical sub-model 104 in a subsequent operation. It is also preferably possible to use a plurality of physical models in order to calculate the in Step 104 supplied empirical submodel with input parameters. Further preferably, also detected physical variables can be incorporated directly into the calculation 104 of the empirical submodel.
  • the output parameter or the output parameters of the calculated empirical model is passed 105 to a physical model in section B or an empirical model in section C.
  • these further submodels indicate relationships which chronologically follow in the sequence of the combustion process the empirical submodel calculated in step 104. If the output parameter or the output parameters from operation 104 are transferred to a physical model, then by means of this in a further operation 106a preferably a further output parameter is calculated, which in turn is output to a third physical model or to a second empirical model 107a.
  • the second empirical model is preferably calculated 106b, wherein the output parameter from the first empirical model, the Output parameters from the second physical model and / or a further physical variable preferably serve as input parameters.
  • the output parameter output by the second empirical model serves as an input parameter for the third physical model and / or a third empirical model, and is therefore preferably outputted to it 107b.
  • a further output parameter is calculated 108a, preferably based on the output parameter output by the second physical model, the output parameter output by the second empirical model, and / or another detected physical quantity 108a.
  • the output value of the third physical model is passed to the third empirical model and the third empirical model is calculated 108b and preferably output 109b based on this parameter, the output parameter of the second empirical model and / or another physical quantity.
  • the cascaded procedure of a combination of information from acquired physical quantities, from physical models and from empirical models presented above with reference to FIG. 1 may preferably be repeated as often as is also indicated in FIG. 1.
  • each output parameter can be displayed to a user or can also be used by a comparison with a reference value for the evaluation of the internal combustion engine to be optimized.
  • obtained parameter values can be used for optimization by means of a change in the configuration of the internal combustion engine 1 10, 11.
  • FIG. 2 shows, purely by way of example, dependencies of the physical models (in the middle) on the multiplicity of physical variables as well as dependencies with respect to a diesel engine.
  • the polytropic exponent proceeds from an empirical model into the thermodynamic state Cylinder as a physical model.
  • the second parameter calculated using an empirical model is, furthermore, the ignition delay in the physical model for the start of combustion.
  • FIG. 3 shows exemplary dependencies of the empirical models (in the middle) of physical models on the left and physical values on the right in a diesel engine.
  • a small number of physical variables preferably also enter directly into the empirical models.
  • the piston movement enters as an input parameter in the calculation of the ignition delay and the friction power.
  • the fuel mass flow preferably enters as an input parameter in the calculation of the cylinder peak pressure.
  • the mass-related amount of heat preferably enters the calculation of the polytropic exponent as an input parameter.
  • the drop diameter is preferably used as an input parameter in the calculation of the ignition delay and the exit velocity at the nozzle.
  • the exit velocity at the nozzle preferably enters as an input parameter in the calculation of the focal point of combustion.
  • the thermodynamic state in the cylinder at the start of injection is preferably used as an input parameter in the calculation of the power loss over the cylinder walls, the ignition delay, the peak cylinder pressure and the nitrogen oxide emission.
  • the gas composition is preferably used as an input parameter in the calculation of the nitrogen oxide emission.
  • the compression setting parameter is preferably used as another input parameter.
  • the ignition delay setting parameter is preferably entered as a further input parameter.
  • the combustion rate setting parameter is preferably input as a further input parameter.
  • the engine friction adjustment parameter preferably enters as another input parameter.
  • FIG. 4 shows the cascade-like dependence of the individual empirical submodels on each other with respect to a diesel engine. It can be seen from FIG. 4 that a preferred exemplary embodiment of the invention, which has proved to be particularly suitable for optimizing a diesel engine, has a five-stage optimization cascade.
  • the start of combustion is not in itself an empirical model in the true sense, but shows that the ignition delay has an indirect influence on four further submodels.
  • the thermodynamic state in the cylinder is not based of an empirical model, but also shows the indirect influence of the polytropic exponent on four further submodels.
  • the polytropic exponent via the thermodynamic state as input parameter, preferably enters the calculation of the ignition delay and the peak pressure of the cylinder.
  • the ignition delay is preferably included in the calculation of the center of combustion and the start of combustion as input parameters in the calculation of the power loss over the cylinder walls, the indicated mean pressure, the peak cylinder pressure and the nitrogen oxide emission.
  • the power loss via the cylinder walls is preferably used as an input parameter in the calculation of the indicated mean pressure.
  • the focal point of combustion is preferably included as an input parameter in the calculation of the peak cylinder pressure and the nitrogen oxide emission.
  • the peak cylinder pressure is preferably used as an input parameter in the calculation of the friction power.
  • the cascading preferably has six levels.
  • the polytropic exponent is preferably used as input parameter in the calculation of the ignition delay and the power loss over the cylinder walls.
  • the ignition delay is preferably included in the calculation of the combustion center, the power loss across the cylinder walls, the carbon monoxide emission, the indicated mean pressure and the hydrocarbon emission.
  • the residual gas content is preferably used as an input parameter in the calculation of the power loss across the cylinder walls, the ignition delay, the combustion center, the nitrogen oxide emission, the carbon monoxide emission and the hydrocarbon emission.
  • the cylinder pressure at IVC is an input parameter preferably in the calculation of the fresh air mass in the cylinder and the ignition delay.
  • the combustion focus is preferably included in the calculation of power dissipation across the cylinder walls at low and high load, indicated mean low and high load, hydrocarbon emission, carbon monoxide emission, and nitrogen oxide emission.
  • the power loss across the cylinder walls at high load is preferably used as input parameter in the calculation. tion of the indicated medium pressure at high load.
  • the indicated mean low pressure at low load is preferably used as input parameter in the calculation of the hydrocarbon emission and the friction power.
  • the indicated medium pressure at high load is preferably used as input parameter in the calculation of the hydrocarbon emission and the friction power.
  • the physical variables used as input parameters can preferably be divided into five categories. These are geometric data relating to the internal combustion engine, operating point-relevant data for defining the respective operating point of the internal combustion engine, air path-relevant data, i. Data that characterize the air flow and the condition of the ambient air. Another category are preferably fuel system-relevant data, which in particular define the injection and combustion-relevant data, which define the control of the combustion in the affected internal combustion engine.
  • the physical relationships used can preferably be essentially divided into nine physical models, the fuel mass flow, the gas composition in the cylinder, the mass-related heat quantity, the piston movement, the thermodynamic state in the cylinder, the exit velocity from a nozzle, the droplet diameter , indicate the start of combustion and the exhaust gas temperature.
  • exemplary embodiments for the calculation of some of these physical models are given at least in the basic features.
  • the knowledge of the correct gas composition in the cylinder, in particular the oxygen concentration, is an important influencing variable for the calculation of the nitrogen oxide emission of the charge, for example.
  • the oxygen concentration is preferably given not only as a function of the EGR rate and the excess air, but also on the air humidity.
  • the oxygen concentration is preferably calculated as a function of lambda, EGR rate, and humidity as follows, and is further used as an input to various models:
  • the mass-related amount of heat designates the chemically bound energy of the fuel used based on the total cylinder mass.
  • this parameter is used approximately as a substitute parameter for the temperature level prevailing during the combustion of the preceding cycle. The larger the charge mass with the same amount of fuel, the lower the temperature level.
  • the mass-related heat quantity is calculated according to the following equation: KS
  • Piston motion The physical model of the piston movement consists essentially of three submodels, which indicate the average piston speed, the piston speed at the start of injection and the compression ratio in the cylinder volume at the start of injection.
  • the average piston speed is preferably an input to the model for calculating engine friction and is calculated as follows:
  • s [mm] stroke mean piston speed
  • the piston velocity is also input parameter in at least one empirical model. It is calculated according to the following formula:
  • VkEB 2 - n * n * r - sm ⁇ p EB • sin2 ⁇ p EB
  • the effective compression ratio which is necessary in particular for determining the thermodynamic state in the cylinder, is calculated according to the following formulas:
  • thermodynamic state in the cylinder is defined by pressure and temperature.
  • the mass in the cylinder can be calculated by the measured air mass and the measured EGR rate, assuming an ideal load change without rinsing and with a constant residual gas content.
  • the formal relationship for the temperature at the start of injection is obtained as follows:
  • the nozzle hole diameter is required, which is determined on the basis of the effective nozzle hole area.
  • the value for a typical flow coefficient for the nozzle holes is preferably determined by assumption, wherein the nozzle hole area and the nozzle hole diameter are preferably calculated as follows.
  • the drop diameter is finally calculated as follows:
  • a cascade of empirical submodels of section C of FIG. 1 preferably contains eleven different empirical models and five cascade stages, as shown in FIG. 4. If the frictional loss, which does not belong to the original combustion process, is excluded, then a combustion process can be imaged essentially completely by six empirical submodels in only four cascade stages.
  • input parameters are included in these empirical models.
  • the input parameters can essentially be divided into three groups. Physical quantities which directly enter the empirical models, parameters which are calculated on the basis of physical models, parameters which are calculated on the basis of other empirical models. net and possibly machine-specific setting parameters.
  • the adjustment parameters are preferably based on physically based effects, but they are difficult to take into account due to their complexity. An example of this is the interaction between injection jet and piston recess during combustion.
  • the empirical models In the construction of the empirical models, an attempt is first made to calculate as many input parameters as possible by means of physical models in order to keep the number of inputs in the empirical models small. This increases the generality of the method of optimization, since the based on experiments with other internal combustion engine empirical submodels can be kept as limited as possible. Furthermore, all input parameters in the empirical models are preferably chosen so that all the internal combustion engines to be examined can be imaged with one and the same parameter.
  • measured data from a set of different already calibrated engines preferably with the same combustion method (different rates for diesel engines and gasoline engines) and similar engine geometry, are recorded in test bench tests. For example, one set of diesel engines may include nine different engines with a cylinder spread of 0.51 / cylinder to 2.51 / cylinder.
  • An appropriate number of measurement points for the preparation of the empirical models is approximately. 10,000 measuring points, each measuring point, which is preferably defined by speed and torque, having a plurality of measured variables to be measured.
  • model outputs required for the optimization are defined, which can not be calculated by physical models, for example nitrogen oxide emissions, power, exhaust gas temperature, etc.
  • empirical models preferably by means of regression analyzes, are created, for example on the basis of polynomial model approaches.
  • polynomial models of the second order are preferably used.
  • the coefficients of these regression models are preferably formed by determining the smallest error squares.
  • the models essentially have the following structure:
  • the model inputs are transformed according to the following equation (Student Transformation).
  • the coefficients xi, x 2 , Xi , 2 are determined so that all motors of the considered set can be modeled with the same coefficients.
  • the model inputs ui, u 2 are made comparable.
  • the model inputs are normalized by a physical conversion into motor-independent variables. As a normalization factor, for example, the respective displacement size of the individual engines in question.
  • Burning time_trans (burn time-17.7) /5.0
  • the model quality of the empirical models found is preferably statistically evaluated in a further step, in particular by calculating the coefficient of determination. If a sufficient model quality results, the plausibility of the models is checked again, as explained below.
  • model quality or the coefficient of determination can not be significantly increased by a motor-specific adjustment parameter EP, the selection of the model inputs and / or the mathematical formulation of the model approach must be checked. In this case, additional and / or other model inputs are preferably used for the empirical modeling.
  • an adjustment parameter EP By defining an adjustment parameter EP as an additional model input, some of the empirical models used can be engine-specifically adapted. Engine-specific characteristics can be taken into account by means of the adjustment parameters EP. These peculiarities result, for example, from physical effects, e.g. the engine-specific interaction between injection jet and piston recess or also the injection jet behavior as a function of the nozzle hole geometry.
  • Empirical polynomial models then have the following form, for example:
  • the model dependencies of the individual parameters are investigated; in this case, the effective directions must preferably be consistent with known phenomena from the literature or in accordance with the experience of already performed optimizations.
  • the model output in the case of vanation of one or more model inputs as known from the literature or changes in accordance with experience, the inputs or the formulations of the empirical models themselves are preferably also changed here.
  • the model inputs used can be determined directly from known parameters or whether a further upstream submodel must be used to determine the model inputs. This can be physical or generic empirical.
  • the generation of a generic semi-physical combustion model according to the invention is completed when the combustion model only has model inputs whose values are known or predetermined, for example parameters which are conditioned by the design of the internal combustion engine or are predetermined by its control. This completes the build.
  • the output value for the setting parameters in the case of a motor to be optimized is preferably the arithmetic mean of the setting parameters used in the model creation for the individual motors 1, 2, 3.
  • At least one measuring point consisting of different measured variables is required.
  • a comparison between calculated and measured value is carried out and the installation parameter is adapted such that the deviation between measurement and calculation is minimal.
  • a new determination of the coefficients xi, x 2 , x-1, 2 is not necessary.
  • thermodynamic state in the cylinder at the start of injection and thus the polytope exponent has an influence on ignition delay, the temperature level and the peak pressure of the combustion.
  • the calculation of temperature and pressure at the start of injection is therefore essential. These depend crucially on heat transfer during compression, compression ratio and pressure and temperature at the beginning of compression and therefore on the state in the inlet header.
  • the determination of the exact temperature when closing the intake valve is difficult to achieve, since even small deviations in the measured cylinder pressure mean a large error of the temperature.
  • the indexing is calibrated for the measurement of high cylinder pressures, which degrades the measurement quality at low.
  • the pressure at the start of injection is therefore calculated directly from the pressure in the intake manifold and not from the pressure at intake valve closing. The effects of flowing through the valves are taken into account, as already mentioned, by the compression set parameter.
  • crankshaft angle resolved approaches are not applicable for calculating wall heat losses in the channels and during compression.
  • the compression of an internal combustion engine is a polytropic state change, for which reason an empirical model for the polytropic exponent of the polytropic relationship is compiled for the calculation of the pressure at the start of injection. A larger polytropic exponent leads to a higher pressure at the end of the compression.
  • the selection of the input parameters for a preferred empirical model for the polytropic exponent is preferably carried out as follows.
  • the heat transfer during compression influences the charge state at the start of injection and therefore the polytropic exponent.
  • the heat flow can be described with the following relationship:
  • the inlet header temperature is defined as an input.
  • the surface temperature level is, on the one hand, preferably taken into account as a further input variable by the mass-released amount of heat released, which is calculated according to equation (I). On the other hand, this is taken into account by a polytropic exponent setting parameter, which is introduced into the empirical model.
  • This adjustment parameter is directly integrated into the empirical model for the polytropic exponent and maps different wall heat losses during compression as well as flow losses in the channels and / or blow-by effects.
  • the thermodynamic state at the start of injection is still not calculated with the effective compression ratio from the inlet closing, but with the compression from the bottom dead center. This error is also compensated with the polytropic exponent setting parameter.
  • the ignition delay influences the combustion process by the time available for mixture preparation.
  • the proportion of premixed combustion and the burning time up to the center of gravity of combustion therefore depend crucially on ignition delay. While the ignition delay at high load is short and reasonably easy to estimate, this becomes more difficult in the partial load range.
  • the calculated ignition delay is also important. Exceeds the calculated ignition delay a limit of about 3 milliseconds, it can be assumed that the introduced fuel quantity is no longer completely burned.
  • the ignition delay is preferably defined as the time difference between the start of injection and the start of combustion.
  • the ignition delay model created here outputs this in degrees crank angle.
  • an input parameter in an empirical model for the ignition delay is preferably an input parameter in an empirical model for the ignition delay.
  • An important influence parameter on the ignition delay is the gas temperature in the cylinder prevailing during the injection of the fuel. The higher this is, the faster the fuel evaporates and the self-ignition can take place. Therefore, the gas temperature in the cylinder is preferably also an input parameter.
  • the piston speed is preferably used according to the invention as the input parameter at the beginning of the injection.
  • the jet breakup is also dependent on the hole geometry of the injection nozzle. A detailed calculation of the beam conditioning is not possible without a multi-zone model and this in turn for reasons of computing time for the application according to the embodiment not appropriate. Therefore The influence of the jet break-up when leaving the injection nozzle is set by the setting parameter for the ignition delay. Also, fuel properties such as cetane number or the boiling behavior as well as differences in the flanks of the injection curve can be considered preferably via the Zündverzug setting parameters.
  • the combustion focus is a commonly used parameter in the development of internal combustion engines to characterize combustion. In order to ensure the usability of the combustion model in practice, the focus of combustion should preferably be determined. Furthermore, this is an intermediate result on which other parts of the combustion model preferably build.
  • the first phase of combustion is generally almost unaffected by boost pressure. This implies that the air ratio ⁇ has only a small influence on the position of the combustion center of gravity. However, this does not apply for the entire duration of the combustion, on which the air ratio has very good influence. A higher air ratio results in a shorter duration of the total combustion.
  • the combustion focus is not calculated directly, but the duration of combustion from the start of combustion to the focal point of combustion. This is calculated analogously to the ignition delay in degrees crank angle.
  • the engine speed is therefore preferably the first input parameter and is a measure of the turbulence generated by the charge cycle.
  • the duration of injection itself, since the rate of diffusion combustion does not depend on the fast chemical reaction rate but on the mixture preparation operations - and is therefore preferably the second input parameter. During injection, this is an important quantity and the gas composition takes a back seat.
  • the rate of combustion does not depend on mixing processes of the spray but purely on the chemical reaction rate. This in turn is a function of the thermodynamic state and the gas composition in the cylinder.
  • the injection duration is less significant and the gas composition is more important.
  • the proportion of the premixed combustion and the burn-through time accordingly depend on the ignition delay, which is therefore preferably one of the input parameters.
  • Mixture conditioning operations are largely determined by the energy introduced by the jet and droplet size. For this reason, the exit velocity of the fuel from the nozzle is preferably used as another input parameter. A higher exit velocity leads to faster combustion with a constant injection duration.
  • the EGR rate and thus the oxygen concentration also influence the burn-through time. Due to the exhaust gas recirculation, the availability of oxygen is lower and the combustion slower. Therefore, the oxygen concentration is preferably an input parameter.
  • the burn-through time depends not only on the gas state in the cylinder (for example: EGR rate) but also on the combustion chamber geometry and the interaction of the combustion chamber with the injection jet.
  • EGR rate gas state in the cylinder
  • Different combustion chamber / nozzle combinations differ in their burn - through speed, which has effects on emissions and efficiency of the internal combustion engine (eg interaction of the injection jet with the piston recess).
  • This influence, as well as differences in injection profile or beam cone angle, are preferably mapped with the combustion focus adjustment parameter since the interaction in a 0-dimensional model can not be calculated.
  • the parameter is preferably integrated directly into the model to properly reflect the different effects depending on the operating point.
  • the post-injection of fuel results in a shift of the combustion center in the direction of late.
  • the shift is due to the difference between measured and the calculated focus of combustion for the main injection and will be modeled subsequently.
  • Input parameters to the model for the combustion centroid shift are preferably the burning time of the first part of the main combustion, the speed and the specific fuel quantity of the post-injection.
  • the calculation of the amount of heat emitted via the combustion chamber walls i. Loss of power over the cylinder walls or wall heat flow, is necessary in order to be able to calculate, for example, in a subsequent model, the indicated mean pressure of the high-pressure loop.
  • the model output is preferably a specific or standardized amount of heat in kW per liter of displacement.
  • the magnitude of the emitted energies such as power, exhaust gas enthalpy and wall heat flow, depends on the introduced volume-specific fuel output, preferably the first input parameter of the empirical model.
  • the surface to volume ratio is critically responsible for the efficiency of an internal combustion engine. Large engines have significantly higher efficiencies than small passenger car diesel engines.
  • this is due to the lower heat transfer due to the lower surface-to-volume ratio in large-volume engines.
  • the surface-volume ratio is therefore preferably another input parameter.
  • the wall heat flow depends not only on the surface and the heat transfer coefficient, but also on the temperature difference between the gas and the combustion chamber wall. Therefore, the temperature level of this average combustion model is of crucial importance. In addition to the location of the combustion, this is also dependent on the mass-related amount of heat. The same amount of fuel at different charge masses in the cy- Linder leads to different levels of combustion temperatures. This results in the lambda influence on the wall heat transfer, which consequently also preferably enters as input parameter. Greater excess air leads to lower wall heat losses with the same EGR and fuel mass flow. For mathematical reasons, it is recommended to use the reciprocal of lambda to avoid values near infinity.
  • the surface of the cylinder at the time of the maximum average combustion chamber temperature also has an effect on the wall heat losses. This temperature has its maximum shortly after the center of gravity. Since its location is known, the surface of the cylinder at the center of gravity (MFB50%) is preferably used as the input parameter to calculate the surface effect on the wall heat losses.
  • An increase in the EGR rate at a constant lambda is associated with an increase in the charge mass. This increase and the change in material properties change the wall heat flux. Therefore, the EGR rate is preferably an input parameter.
  • An earlier combustion position increases the peak temperature, which is associated with an increase in the temperature difference. Also, the duration for the heat dissipation through the combustion chamber wall is longer when the injection time goes to early. For this reason, an earlier start of injection results in an increase in wall heat losses. Therefore, the start of combustion is preferably an input parameter.
  • the temperature at the start of injection is preferably an input parameter.
  • the determination of the wall heat losses of the post-injection directly from the measurement results is not possible.
  • the wall heat losses of the main injection can be calculated with the model described above.
  • the difference between the wall heat flow calculated from the main injection and the wall heat flow determined from the measured data with post-injection gives the wall heat losses caused by the post-injection. Measured by the introduced fuel energy only a very small part is lost over the cylinder wall.
  • the following input parameters are preferably used in the empirical model for the wall heat losses of the post-injection: Volume-specific fuel power of the post-injection and start of injection of the post-injection.
  • the charge exchange work is calculated by a charge exchange model, which will not be discussed here, and can therefore be taken for granted. There is a separate empirical model for engine friction.
  • thermodynamics To describe a preferred model of the indexed power of the high-pressure loop, the first law of thermodynamics can be used:
  • the introduced into the combustion chamber fuel energy is mainly responsible for the output usable power of the internal combustion engine.
  • the fuel energy introduced has by far the greatest influence on the indicated power. Therefore, the volume-specific fuel performance at the start of injection is preferably an input parameter.
  • the volume-specific wall heat flow at the start of injection is preferably an input parameter.
  • the position and burning time of the combustion also influence the indicated volume-specific power.
  • the post-injection can not burn with the same efficiency as in the main injection due to its partial late position, which is used to increase the temperature or the hydrocarbon emissions. For this reason, it is important to explicitly model the indicated performance of the post-injection. This model is by far not as big in complexity as that of the main combustion; however, the main influences are taken into account.
  • the determination of the indicated power of the post-injection also takes place via the difference between the measured and the high-pressure power calculated for the main injection.
  • the following input parameters are preferably used in analogy to the heat flow model of the post-injection: volume-specific fuel power of the post-injection and injection start of the post-injection.
  • the introduced burning fuel quantity has a major influence on the indicated power caused by the post-injection, and of course the non-combustible portion must be deducted. How high their thermodynamic efficiency is depends for the most part on their position relative to top dead center. A later injection indicates a lower power analogous to the main injection.
  • the engine friction is not directly related to the combustion process, it is necessary for the calculation of the engine output.
  • the engine friction strongly depends on the operating condition.
  • the load In addition to the speed, the load also has an influence on engine friction due to the directly dependent gas power.
  • the friction model preferably has only two input parameters. Since passenger car and commercial vehicle engines have different speeds, the speed is not a suitable input to the friction model. Consequently, for the calculation of the friction, preferably the average piston speed, which is comparable regardless of the engine type, is used as the input parameter. As a load dependence of the cylinder peak pressure is preferably used as the input parameter, since this is directly related to the maximum gas power.
  • the cylinder tip pressure is of great importance. For this reason, an empirical model is preferably created for this too.
  • the same amount of fuel and the same injection timing of the boost pressure is significantly responsible for the pressure level during combustion.
  • the pressure at the start of injection of the main injection is preferably used as an input parameter for the calculation of the cylinder spray pressure.
  • the pressure increase due to the combustion is influenced by the position of the combustion and by the amount of fuel supplied. With a constant amount of fuel, the start of combustion and the burning time determine the pressure increase. Earlier combustion or rapid burning rate is known to cause an increase in peak combustion pressure. Therefore, start of burning and duration of burning are preferably input parameters.
  • the change in the fuel mass has almost linear influence on the cylinder peak pressure under otherwise identical boundary conditions. Increase in the introduced fuel energy naturally also increases the temperature level and thus the peak pressure. Therefore, the specific fuel mass is preferably an input parameter.
  • nitrogen oxide emissions In the diesel engine, nitrogen oxide emissions and soot emissions are the most unpleasant pollutant components. Their reduction is of paramount importance for achieving future legislation. Therefore, the prediction of nitrogen oxide emissions is essential for the successful application of a combustion simulation.
  • the nitrogen oxide emissions are preferably calculated fuel specific in the optimization process. In addition to good modelability, this also has the advantage that no emissions can occur without the injection of fuel.
  • the NOx reduction potential of the exhaust gas recirculation depends not only on the rate but also on the reduced oxygen concentration of the cylinder charge. This in turn depends on the EGR mass and its lambda, which corresponds to the air ratio of the combustion in stationary operation.
  • the influence of humidity is considered approximately by reducing the oxygen concentration, whereby the reduction of the oxygen concentration by the humidity is weighted equally as by EGR. This results in the first input parameter in the nitrogen oxide model, preferably as an oxygen concentration at the start of combustion.
  • Position and burning time also have an influence on the temperature, which is the main factor influencing the formation of NOx.
  • Another input parameter is therefore preferably the start of combustion of the main injection. At the same speed an increased degree of equalization of the combustion, an approximation to the equal combustion also leads to an increase in the temperature, since the same amount of fuel is converted in a shorter time. In reality, this happens, for example, by raising the injection pressure and the associated shorter Burning time.
  • Another input parameter is therefore preferably the combustion period from the beginning of combustion to the center of combustion.
  • the formation of NOx does not equilibrate during a work cycle.
  • the speed is preferably an input to the empirical NOx model.
  • the ratio between injected fuel mass and air mass, ie the air ratio lambda, also has an influence on the nitrogen oxide emission. Rising Lambda promotes the better availability of oxygen its dissociation, which is a prerequisite for the formation of nitrogen oxides. This also increases the rate of formation of NOx.
  • the nitrogen oxide emission is very small for very small quantities, such as in pre-injection processes.
  • the NOx emission increases up to an air ratio between 1, 6 and 2.2 depending on the operating point. From this air ratio, the effect of the available oxygen loses importance, the cooling effect of the excess air outweighs, and the nitrogen oxide emissions decrease.
  • Another influence on the temperature level of combustion is the temperature at the start of injection. Both inlet manifold temperature and compression ratio have a known influence on the nitrogen oxide emission.
  • the previously calculated temperature at the start of injection of the main injection is preferably used as the input to the model.
  • both the influence of a changed intake manifold temperature and of the compression ratio on the nitrogen oxide emission are mapped.
  • it can also be used to model Miller or Atkinson processes and the associated reduction in NOx emissions. soot emissions
  • the soot mass actually ejected from the cylinder depends, on the one hand, on the soot formation rate and, on the other hand, on the soot oxidation rate. It should be noted that the oxidation does not start only at the end of the combustion, but also occurs during soot formation.
  • the fresh air mass or the lambda value is preferably an input parameter for the formation and oxidation of soot. Due to the poorer conditions for the soot oxidation due to the low oxygen concentration and the lower temperatures, the soot emission usually increases with the EGR rate, which is therefore preferably a further input parameter.
  • soot in addition to the mixture preparation also depends on the temperature level of the combustion. The higher the temperature, the more soot is formed. For the oxidation but temperatures of at least 1300K are necessary. Therefore, the formation and oxidation of carbon black are in contradiction.
  • the increase of the injection pressure leads to a better mixture preparation, but due to higher temperatures and the faster fuel injection also to increase the soot formation rate. However, this is overcompensated by the high temperature and turbulence level, which leads to better oxidation, and the actual soot emission decreases. Therefore, the injection pressure is also preferably an input parameter for an empirical model for the soot emissions.
  • Figures 7 to 9 show how a combustion model for a single engine (engine 1) according to the prior art is determined.
  • the operating range which is stationary for this engine and is possible under given ambient conditions is measured.
  • the parameters x and y, which characterize the operating range of the engine are, for example, boost pressure and air mass.
  • boost pressure and air mass are, for example, boost pressure and air mass.
  • a combustion model can be created that has a good prediction quality within the measured range. Outside this range the model is extrapolated, this is indicated by the two arrows in the diagram. The forecasting quality in the extrapolation decreases sharply. The extrapolation of the model is necessary for the same engine if it is not stationary but transient or the environmental conditions change.
  • a polynomial model can be used to construct the combustion model, as shown in formula (I) above.
  • the coefficients xi, x 2, x-1, 2 are chosen so that the best possible match between the measured operating points determined in parameter values and the particular means of the combustion model parameter values is established.
  • FIG. 8 A corresponding parity diagram for evaluating the model quality of such a combustion model is shown in FIG.
  • the coefficient of determination R 2 in this case is 0.888.
  • An equivalent representation of the parity diagram of FIG. 8 is shown in FIG.
  • the data cloud from measuring points of FIG. 8 is indicated here by the hatched area.
  • the combustion model developed according to FIGS. 7 to 9 is valid only for the one internal combustion engine used to create the model. If another, unknown engine is also to be mapped with a combustion model, then as a rule a renewed measurement of the operating range of this engine must be carried out. a new determination of the coefficients of the polynomial model, for example, by a compensation calculation, be made.
  • FIGS. 10 to 12 show by way of example how a generic combustion engine model according to the invention can be developed for a whole class of engines.
  • a plurality of different engines of a generic type in particular a combustion type and a specific displacement range are used, in the example shown the three engines engine 1, engine 2 and engine 3.
  • engine 1 has four Cylinder on, engine 2 three cylinders and engine 3 five cylinders on.
  • the cylinder displacements of the individual engines also differ.
  • the model quality of the thus found empirical model is shown in relation to the measurement data of the individual motors in FIG. 11. Since the empirical model developed covers all three engines, the model quality is different with respect to each of the engines, as evidenced by the location and extent of the individual data clouds of the measurements (hatched areas) with respect to the individual engines 1, 2, 3 , Overall, this results in a coefficient of determination of 0.75.
  • a combustion model according to the invention which preferably consists of a multiplicity of physical models and empirical models, some of the empirical models achieve only relatively small model qualities, as can be seen from FIG. 11.
  • the model quality can be increased by introducing an adjustment parameter EP as shown above with reference to equation (II).
  • the adjustment parameter EP receives its own coefficient in a polynomial model approach.
  • the coefficient associated with the adjustment parameter EP is also set to a value for all three motors 1, 2, 3, and a value for the adjustment parameter EP for each motor 1, 2, 3 is determined at the same time ensures the best possible agreement of the measured values of the respective engine with the empirical model.
  • the adjustment parameter By introducing the adjustment parameter, not only the position of the respective measurement point distribution in the parity diagram can be improved, as shown in FIG. 12, but also the scatter of the measurement points in the parity diagram can be reduced with respect to the respective empirical model, as by the two double arrows is indicated (the longer double arrow corresponds to the dispersion without adjustment parameter with respect to motor 2 of FIG. 1 1).
  • the empirical model is now used in a generic combustion model for a new unknown engine X, for which there is still no measurement of the operating range, but which belongs to the same class as the engines 1, 2, 3, then the respective empirical model can only be adapted by adapting the adjustment parameter EP to the unknown motor X.
  • these are in particular the empirical models for the polytropic exponent, the ignition delay, the center of combustion and the friction power.
  • the determination of the adjustment parameters EP can first be made on the basis of empirical values of development engineers. In order to determine the setting parameter EP exactly, however, at least one operating point on the unknown motor X must be measured. On the basis of the comparison of this at least one operating point with the values calculated by means of the generic combustion model, the setting parameters EP of the individual empirical models can be determined. If the setting parameter EP is determined, a motor-specific combustion model is available for the new, unknown engine X, with which a very high agreement with the real operation is achieved, as can be shown with reference to FIGS. 16 and 17.
  • FIG. 13 shows by way of example a so-called interaction diagram for an empirical model of the ignition delay. The interaction diagram indicates the effective direction of the individual input variables or input parameters in the empirical model of the ignition delay. Such an interaction diagram can be used in particular for the knowhow-based evaluation of the model quality in the plausibility assessment.
  • the dependence between the ignition delay and the adjustment parameter in this case is a curved function second grade.
  • the adjustment parameter for the respective empirical model is selected only once and remains constant for the entire operating range of the respective motor.
  • FIG. 14 is based, like FIG. 12, on the parity diagram of FIG. The individual data clouds of the measuring point distributions of the motors 1, 2, 3 were shifted by introducing a constant offset value for each motor.
  • the procedure is essentially the reverse order in which the dependence of the individual submodels on each other is given; in the reverse direction of the information flow between the individual submodels, as shown for example in Fig. 4.
  • Modeling is started on those models that provide the desired outputs and so many models are used until the desired outputs can be determined from the existing or predetermined inputs.
  • the indicated high pressure power and the wall heat losses and, on the other hand, the nitrogen emission and the peak pressure are to be calculated. the. From this it follows that models for the center of gravity of combustion, the ignition delay and the compression or the polytropic exponent as well as any other physical models are necessary in order to be able to carry out a simulation on the basis of the input variables normally supplied by a control.
  • a first step the method according to the invention has been validated by means of the legal transient test cycle for off-road engines (NRTC).
  • NRTC off-road engines
  • the engine model is operated with a software control unit, in which the most important functions of the real ECU are mapped.
  • the controllers of the virtual ECU were tuned so that the transient behavior of the virtual engine corresponds to that of the real engine.
  • This type of model application is called Model in the Loop (MiL).
  • MiL Model in the Loop
  • the industrial engine was subjected to the NRTC cycle in real operation on a test bench.
  • the measured transient curves (A) of rotational speed, torque and air mass are shown normalized in FIG. 16.
  • the temperature before turbine, the nitrogen oxide emission and the soot emission in transient operation are shown.
  • the curves determined by means of the method according to the invention agree with the measured progressions except for small deviations.
  • Figure 17 shows a relative comparison of the cycle results of the transient emission test. It can be seen that the deviations of the cycle results for NOx, soot and fuel consumption are significantly less than 10%. Therefore, the inventive method is well suited for optimizing an internal combustion engine, without the experiments with the actual to be optimized technical device must be performed.
  • the method and the device according to the invention can carry out optimizations in intermediate stages or steps, in which measurements on the test bench with optimization by means of the method according to the invention go hand-in-hand. In this way, it can be ensured that the processed empirical models do not move too far from reality.
  • the empirical models can also be changed in intermediate steps and adapted to real measurements.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur modellbasierten Optimierung, insbesondere Ka- librierung, einer technischen Einrichtung, insbesondere einer Brennkraftmaschine. Das Verfahren weistfolgende Arbeitsschritte auf: Erfassen von wenigstens einem ersten Pa- rameter in Bezug auf diezu optimierende technische Einrichtung, welcher eine physikali- sche Größe charakterisiert; erstes Bestimmen wenigstens eines zweiten Parameters in Bezug auf die zu optimierende technische Einrichtung durch wenigstens ein erstes phy- sikalisches Modell, welches wenigstens einen bekannten physikalischen Zusammen- hang charakterisiert, und für welches der wenigstens eine erste Parameter ein Ein- gangsparameter ist; zweites Bestimmen wenigstens eines dritten Parameters durch we- nigstens ein erstes empirisches Modell, welches auf Messungen an einer Mehrzahl von bereits bekannten technischen Einrichtungen derselben Gattung, insbesondere Brenn- kraftmaschinen, beruht und für welches zumindest der wenigstens eine zweite Parame- ter ein Eingangsparameter ist, wobei der wenigstens eine dritte Parameter geeignet ist, um die zu optimierende technische Einrichtung zu charakterisieren und/oder um auf des- sen Grundlage eine Veränderung der zu optimierenden technischen Einrichtung vorzu- nehmen, insbesondere eine Steuerung der zu optimierenden technischen Einrichtung einzustellen; und Ausgeben des wenigstens einen dritten Parameters.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur modellbasierten Optimierung
einer technischen Einrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur modellbasierten Optimie- rung einer technischen Einrichtung, insbesondere einer Brennkraftmaschine.
Um zukünftigen Gesetzgebungen sowie dem Spannungsfeld zwischen Kraftstoffverbrauch und Emissionen gerecht zu werden, werden Verbrennungsmotoren mit all ihren Komponenten im Allgemeinen als Gesamtsystem optimiert.
Für eine effiziente Motorentwicklung ist dabei die Kenntnis des transienten Motorverhaltens hinsichtlich Verbrauch und Emissionen in einer sehr frühen Phase der Entwicklung von großer Bedeutung, was unter anderem durch den Einsatz von Simulationswerkzeugen möglich gemacht werden soll.
Eine zunehmende Anzahl von Stellgrößen und verschärfte gesetzliche Emissions- und Diagnoseanforderungen vergrößern den Aufwand der Motorenentwicklung und -Kalibrierung erheblich. Gleichzeitig sollen Entwicklungszeiten jedoch reduziert werden, um immer schnellere Produktzyklen zu ermöglichen.
Um den steigenden Entwicklungs- und Kalibrieraufwand in der Motorenentwicklung mit vernünftigem Aufwand zu bewältigen, sind modellbasierte Entwicklungsmethoden ein wichtiger Bestandteil des Kalibrierprozesses geworden. Um solche modellbasierten Entwicklungsmethoden auch effizient im Motorentwicklungsprozess anwenden zu können, müssen die Methoden in der Lage sein, transiente Vorgänge des Verbrennungsmotors in Echtzeit zu berechnen.
Eine zielgerichtete, modellbasierte Gesamtsystemoptimierung setzt die Möglichkeit des instationären bzw. transienten Motormodellbetriebs voraus. Auf diese Weise können Konzepte mithilfe effizienter und schneller Motormodelle kostengünstig und in kurzer Zeit untersucht, bewertet und gegebenenfalls optimiert werden.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Ansätze zur modellbasierten Optimierung von technischen Einrichtungen bekannt. Insbesondere im Bereich der Optimierung bei der Entwicklung oder Kalibrierung von Verbrennungskraftmaschinen kommen hierbei Verfahren wie folgt zur Anwendung:
Die EP 1 150 186 A1 betrifft ein Verfahren zur automatischen Optimierung einer Aus- gangsgröße eines von mehreren Eingangsgrößen abhängigen Systems, beispielsweise einer Brennkraftmaschine, unter Einhaltung von Nebenbedingungen, wobei ein theoretischer Wert für die Ausgangsgröße und die Nebenbedingungen anhand einer Modellfunktion mit den Eingangsgrößen als Variablen bestimmt werden und dabei in aufeinanderfolgenden Einzelschritten jeweils eine der Eingangsgrößen innerhalb eines Variations- raums verändert wird. Den jeweiligen Eingangsgrößen entsprechende Werte für Ausgangsgrößen und Nebenbedingungen werden direkt am System ermittelt und zur Korrektur der Modellfunktionen herangezogen, bis die Modellfunktionen die Nebenbedingungen erfüllen und Optimalwerte für die Ausgangsgröße erreicht. Die WO 2013/131836 A2 betrifft ein Verfahren zur Optimierung von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere zur Emissions- und Verbrauchsoptimierung, bei welchen über Korrekturfunktionen in ihren Steuergeräten in jedem durch die Parameter Temperatur, Last- und Drehzahl gegebenen Betriebspunkt zumindest eine der Nebeneinflussgrößen derart eingestellt wird, dass in unterschiedlichen Last-Drehzahlbereichen und in unter- schiedlichen Temperaturbereichen die Emissionsgrenzwerte eingehalten werden. Bei einem ersten Schritt wird ein Versuchsband für die Betriebspunkte und Nebeneinflussgrößen unter Verwendung mathematischer Modelle der Steuergerätefunktion und der Verbrennungskraftmaschine in Bezug auf die zu optimierende Größe erstellt und am Prüfstand abgefahren, in einem zweiten Schritt aus den dabei am Prüfstand gemesse- nen Daten ein Modell für jede zu optimierende Größe erstellt und in einem dritten Schritt werden, basierend auf diesem erstellten Modell, die optimalen Werte der Nebeneinflussgrößen unter Einhaltung der Emissionsgrenzwerte bestimmt und diese Werte zur Erst- bedatung der Korrekturfunktionen vom Steuergerät herangezogen. Die EP 1 703 1 10 A1 betrifft ein Verfahren zur Optimierung der Kalibrierung von Verbrennungsmotoren unter Berücksichtigung dynamischer Zustandsänderungen des Motors und unter Verwendung eines neuronalen Netzwerks, wobei der Kalibrierungstest von einer Startbedingung startet und zur Kalibrierung definierte Veränderungen der Parameter eingestellt werden.
Die DE 10 201 1 013 481 A1 betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors und einer internen Abgasrückführung. Die interne Abgasrückführung ist über eine variable Ventilsteuerung von Ventilen des Verbrennungsmotors einstellbar. Bei dem Verfahren wird eine Gesamtgasmasse und ein Sauerstoffgehalt in einen Brennraum des Verbrennungsmotors bestimmt. Ferner wird für einen vorgegebenen Betriebspunkt des Verbrennungsmotors eine Soll-Gesamtgasmasse und ein Soll-Sauerstoffgehalt in dem Brennraum bestimmt. In Abhängigkeit von der Gesamtgasmasse, dem Sauerstoffgehalt und der Soll-Gesamtgasmasse und dem Soll-Sauerstoffgehalt wird ein Stellglied des Verbrennungsmotors eingestellt.
Die US 2014/0326213 A1 betrifft eine Steuerungseinrichtung, die einem vorhergesagten Wert eines Turboladedrucks auf der Grundlage eines vorhergesagten Werts eines Dros- selklappenöffnungsgrads vorhersagt, wobei ein physikalisches Modell der turboaufgeladenen Maschine benutzt wird. Die Steuerungseinrichtung berechnet auch eine Korrekturmenge. Hierzu wird ein Messwert des Turboladedrucks durch einen Turboladedrucksensor erfasst und ein geschätzter Wert des Turboladedrucks wird auf der Grundlage eines Messwerts eines Drosselklappenöffnungsgrads berechnet, wobei ein physikali- sches Modell der turbogeladenen Maschine eingesetzt wird. Ein Unterschied zwischen dem Messwert und dem geschätzten Wert des Turboladedrucks wird berechnet und der Unterschied wird als Korrekturmenge für den vorhergesagten Wert des Turboladedrucks herangezogen. Auf der Grundlage des korrigierten vorhergesagten Werts des Turboladedrucks und eines vorhergesagten Werts des Grads der Drosselklappenöffnung be- rechnet die Steuerungseinrichtung einen vorhergesagten Wert der Menge an Zylinderansaugluft. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur modellbasierten Optimierung einer technischen Einrichtung, insbesondere einer Brennkraftmaschine, bereitzustellen, welche es ermöglichen, weitere Entwicklungsaufgaben der Einrichtung von einem realen auf einen virtuellen Prüfstand zu verlagern. In Bezug auf Verbren- nungskraftmaschinen ist es hierbei eine weitere Aufgabe, die Leistungs- und Emissionskalibrierung, aber vorzugsweise auch eine Applikation unter Nicht-Standard- Umgebungsbedingungen auf dem virtuellen Prüfstand vorzunehmen. Eine weitere Aufgabe besteht vorzugsweise darin, eine echtzeitfähige Gesamtsystemsimulation der technischen Einrichtung zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren eine Vorrichtung gemäß der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen werden in den Unteransprüchen beansprucht. Der Wortlaut der Ansprüche wird durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur modellbasierten Optimierung, insbesondere Kalibrierung einer technischen Einrichtung, insbesondere einer Brennkraftmaschine, weist vorzugsweise folgende Arbeitsschritte auf: Erfassen von wenigstens einem ersten Parameter in Bezug auf die zu optimierende technische Einrichtung, welche geeignet ist, eine physikalische Größe zu charakterisieren; erstes Bestimmen wenigstens eines zweiten Parameters in Bezug auf die zu optimierende technische Einrichtung durch wenigstens ein erstes physikalisches Modell, welches geeignet ist, wenigstens einen bekannten physikalischen Zusammenhang zu charakterisieren, und für welches der wenigstens eine erste Parameter ein Eingangsparameter ist; zweites Bestimmen wenigstens eines dritten Parameters in Bezug auf die zu optimierende technische Einrichtung durch wenigstens ein erstes empirisches Modell, welches auf Messungen an einer Mehrzahl von bereits bekannten technischen Einrichtungen derselben Gattung, insbesondere Brennkraftmaschinen, beruht und für welches zumindest der wenigstens eine zweite Parameter ein Eingangsparameter ist, wobei der wenigstens eine dritte Parameter geeignet ist, um die zu optimierende technische Einrichtung zu charakterisieren und/oder auf dessen Grundlage eine Veränderung der zu optimierenden technischen Einrichtung vorzunehmen, insbesondere deren Steuerung einzustellen; und Ausgeben des wenigstens einen dritten Parameters. Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren zur modellbasierten Optimierung, insbesondere Kalibrierung, einer technischen Einrichtung, insbesondere einer Brennkraftmaschine, wird ein Gesamtsystem der zu optimierenden technischen Einrichtung mit wenigstens einem ersten physikalischen Modell, welches wenigstens einen bekannten physikalischen Zusammenhang charakterisiert, und wenigstens einem empirischen Modell, welches auf Messungen an einer Mehrzahl von bereits bekannten technischen Einrichtungen derselben Gattung, insbesondere Brennkraftmaschinen, beruht, simuliert. Das wenigstens eine physikalische Modelle und/oder das wenigstens eine empirische Modell hängt vorzugsweise zusätzlich von einem maschinenspezifischen Einstellpara- meter ab, um das jeweilige Modell an die zu optimierende technische Einrichtung anzupassen. In einer ersten Phase des Verfahrens wird wenigstens ein Messpunkt im Betrieb der zu optimierenden technischen Einrichtung gemessen und der maschinenspezifische Einstellparameter auf der Grundlage des wenigstens einen Messpunkts bestimmt, indem gemessene Werte mit anhand der Modelle berechneten Werten des Messpunkts vergli- chen werden. In einer zweiten Phase des Verfahrens werden keine Messungen im Betrieb der zu optimierenden technischen Einrichtung mehr vorgenommen und das Gesamtsystem der zu optimierenden technischen Einrichtung wird mittels des wenigstens einen physikalischen Modells und des wenigstens einen empirischen Modell simuliert, wobei ein mittels des wenigstens einen physikalischen Modells bestimmter zweiter Pa- rameter als Eingangsparameter in das wenigstens eine empirische Modell eingeht.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur modellbasierten Kalibrierung einer technischen Einrichtung, insbesondere einer Brennkraftmaschine, weist vorzugsweise eine Messeinrichtung zum Erfassen von wenigstens einem ersten Parameter in Bezug auf die zu ka- librierende technische Einrichtung auf, welche geeignet ist, eine physikalische Größe zu charakterisieren. Vorzugsweise weist die Vorrichtung des Weiteren eine Speichereinrichtung auf, in welcher wenigstens ein erstes physikalisches Modell eines bekannten physikalischen Zusammenhangs und wenigstens ein erstes empirisches Modell, welches auf Messungen an einer Mehrzahl von bereits bekannten technischen Einrichtungen dersel- ben Gattung, insbesondere Verbrennungskraftmaschinen, beruht, hinterlegt sind. Des Weiteren weist die Vorrichtung vorzugsweise eine erste Zuordnungseinrichtung auf, um den ersten Parameter auf der Grundlage des wenigstens einen ersten physikalischen Modells einem zweiten Parameter zuzuordnen, und eine zweite Zuordnungseinrichtung, um wenigstens dem zweiten Parameter auf der Grundlage des wenigstens einen ersten empirischen Modells einen dritten Parameter zuzuordnen. Zusätzlich weist die Vorrichtung vorzugsweise eine Schnittstelle zum Ausgeben des wenigstens einen dritten Parameters aus, wobei der dritte Parameter geeignet ist, um die zu kalibrierende technische Einrichtung zu charakterisieren und/oder um auf dessen Grundlage Veränderungen an der zu optimierenden technischen Einrichtung vorzunehmen, insbesondere deren Steuerung einzustellen.
Erfassen im Sinne der Erfindung ist ein Einlesen von Parameterwerten, insbesondere durch automatische oder manuelle Eingabe und/oder ein Ausführen von Messungen zum Ermitteln eines Parameters.
Eine physikalische Größe im Sinne der Erfindung ist eine quantitativ bestimmbare Eigenschaft eines physikalischen Objekts, Vorgangs oder Zustands. Er wird vorzugsweise als Produkt aus einem Zahlenwert (der Maßzahl) und einer Maßeinheit angegeben. Vektorgrößen werden durch einen Größenwert und Richtung angegeben. Vorzugsweise sind die Maßeinheiten nach dem Sl-Standard definiert.
Bestimmen im Sinne der Erfindung ist ein Zuordnen eines Ausgangsparameters zu ei- nem Eingangsparameter, insbesondere auf der Grundlage einer Funktion, Funktionstabelle oder sonstigen ZuOrdnungsvorschrift.
Ein physikalisches Modell im Sinne der Erfindung gibt einen bekannten physikalischen Zusammenhang wieder, welcher insbesondere auf physikalischen Grundfunktionen auf- gebaut ist. Vorzugsweise sind physikalische Modelle wenigstens für die Gattung von technischen Einrichtungen, von welchem eine technische Einrichtung optimiert werden soll, insbesondere jedoch für alle technischen Einrichtungen, allgemeingültig. Ein physikalisches Modell kann hierbei aus einer physikalischen Formel oder auch aus mehreren physikalischen Formeln bzw. physikalischen Zusammenhängen bestehen.
Ein empirisches Modell im Sinne der Erfindung wird auf der Grundlage von gemessenen Werten an einer Mehrzahl von bereits bekannten technischen Einrichtungen in seiner Logik aufgebaut. Vorzugsweise werden dabei Verfahren der Ausgleichsrechnung, insbesondere Regressionsmodelle, herangezogen.
Eine Mehrzahl im Sinne der Erfindung sind wenigstens zwei.
Ausgeben im Sinne der Erfindung ist ein Darstellen für einen Benutzer oder ein Bereitstellen wenigstens eines Werts an einen weiteren Arbeitsschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens. Vorzugsweise wird ein Parameterwert beim Ausgeben innerhalb des modellbasierten Optimierungsverfahrens weiter verwendet.
Eine Gattung im Sinne der Erfindung bezeichnet eine Zuordnung einer technischen Einrichtung zu einer Gruppe von technischen Einrichtungen. Als Gattungen kommen insbesondere die Antriebsmaschinen, Verbrennungskraftmaschinen, Otto-Motoren, Dieselmotoren, etc. oder jede andere Gruppierung auf der Grundlage technischer Gemeinsamkei- ten von technischen Einrichtungen in Frage.
Die Erfindung beruht insbesondere auf dem Ansatz, bei einer modellbasierten Optimierung einzelne Modelle als Untermodelle untereinander zu koppeln, so dass eine echtzeit- fähige Optimierung der technischen Einrichtung, beispielsweise der Verbrennung einer Verbrennungskraftmaschine, möglich ist. Um möglichst genaue Aussagen über das Verhalten der technischen Einrichtung treffen zu können, werden empirische Modelle, soweit möglich, durch physikalische Modelle, welche einen allgemeingültigen physikalischen Zusammenhang wiedergeben, ersetzt. Die Berechnungen erfolgen dabei vorzugsweise nicht kurbelwellenwinkel-aufgelöst, d.h. erfindungsgemäß werden nicht über den gesamten Zyklus einer Kurbelwellenumdrehung Werte in zyklischen Abständen des Kurbelwellenwinkels berechnet. Vorzugsweise werden im Gegensatz hierzu lediglich die Werte in bestimmten Kurbelwinkelpositionen insbesondere im Verbrennungsschwerpunkt (MFB 50%), dem Einspritzzeitpunkt und/oder dem Zündzeitpunkt, berechnet. Durch den Einsatz einer Vielzahl von allgemeingültigen physikalischen Untermodellen kann die Anzahl an empirischen Untermodellen wesentlich reduziert werden. Hierdurch können die Eingangsparameter in die empirischen Untermodelle so gewählt werden, dass eine Vielzahl von Motoren mit ein und demselben Satz an Eingangsparametern abgebildet werden können. Die Anpassungen der einzelnen empirischen Untermodelle an die jeweilige zu optimierende technische Einrichtung kann dann über Einstellparameter erfolgen.
Der Einstellparameter geht hierbei vorzugsweise als zusätzlicher Eingangsparameter in das entsprechende Modell ein. Besonders bevorzugt ist der maschinenspezifische Einstellparameter ein Eingangsparameter in das empirische Modell. Als Eingangsparameter weist der maschinenspezifische Einstellparameter vorzugsweise in einem polynomischen Modellansatzeinen Koeffizienten auf, wie allen anderen Terme des Polynoms auch. Der Einstellparameter eines Modells ist vorzugsweise über den Betriebsbereich einer einzelnen technischen Einrichtung konstant, ändert sich jedoch je nach technischer Einrichtung. Im Gegensatz hierfür sind die Koeffizienten des Modells vorzugsweise für den gesamten Betriebsbereich einer technischen Einrichtung, aber auch für alle anderen technischen Einrichtungen konstant. Da ein Einstellparameter keine einfacher Offsetwert ist, verändert sich nicht nur die Lage der Funktionen der einzelnen Modelle, sondern auch dessen Modellgüte, insbesondere das Bestimmtheitsmaß R2 in Bezug auf die Residuen kann wesentlich verbessert werden.
Die bestimmten Kurbelwinkelpositionen, an welchen die erfindungsgemäßen Parameter berechnet werden, werden kausal nacheinander in der Reihenfolge des Verbrennungsvorgangs abgearbeitet.
Bei einer Verbrennungskraftmaschine werden beispielsweise ausgehend vom Einspritzbeginn der ersten Einspritzung und den daraus resultierenden Auswirkungen auf die darauffolgenden Einspritzungen eine abgegebene Motorleistung, Wärmeströme ins Kühlwasser und ins Abgas sowie Stickoxid-Emissionen berechnet.
Weiterhin ist es in Bezug auf Verbrennungskraftmaschinen erfindungsgemäß möglich, auch Untermodelle, die zwar nicht direkt im Zylinder während der Verbrennung wirken, aber für einen Einsatz in der Realität von großer Bedeutung sind, z.B. die Motorreibung, zu erstellen. Erfindungsgemäß können in Bezug auf eine Verbrennungskraftmaschine auch Verlustleistungen über die Zylinderwände berechnet werden, ohne die Verbrennung nach dem Kurbelwellenwinkel aufzulösen. Die Kenntnis der Verlustleistung über die Zylinderwände ist eine wesentliche Voraussetzung für die quasi-physikalische Berechnung von Motorleistung und Abgasenthalpie. In Bezug auf die Verbrennungskraft- maschine können dabei folgende Parameter wenigstens vom Modell berechnet werden: Kenngrößen der Verbrennung (Start, Schwerpunkt und Spitzendruck, Wärmestrom, Motorleistung, Gastemperatur, Stickoxidemissionen oder Rußemissionen). Für die empirischen Modelle werden erfindungsgemäß vorzugsweise eine Vielzahl von Messungen an eine Mehrzahl von bereits bekannten technischen Einrichtungen vorgenommen und anhand der Messdaten, insbesondere mittels einer Regressionsanalyse, empirische Modelle, insbesondere polynomiale Modelle, erstellt. Die Qualität der empirischen Modelle ist dabei umso besser, je mehr bekannte technische Einrichtungen der Gattung der zu optimierenden technischen Einrichtung zur Erstellung der empirischen Modelle herangezogen werden.
Insbesondere können das erfindungsgemäße Verfahren und die entsprechende Vorrichtung zur modellbasierten Optimierung ohne das Vorhandensein von Messdaten qualitativ und auch quantitativ zutreffende Aussagen liefern.
Wird eine besonders hohe Modellqualität für eine Simulation erwünscht, kann der Wert des Einstellparameters eines empirischen Untermodells anhand der Messung weniger Betriebspunkte oder sogar nur eines einzigen Betriebspunkts exakt bestimmt werden. Dieser Einstellparameter ist in der Folge über den gesamten Betriebsbereich der zu optimierenden technischen Einrichtung konstant. Der Einstellparameter kann beispielsweise durch eine Messung bei Standardbedingungen auf einem Prüfstand bestimmt werden. In der Folge kann die Kalibrierung der technischen Einrichtung auf dem Prüfstand bei Standardbedingungen auf dem Prüfstand fortgesetzt werden, wohingegen die Kalib- rierung bei anderen Bedingungen mit dem Modell durchgeführt wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verfahrens wird wenigstens das zweite Bestimmen des wenigstens einen dritten Parameters ausschließlich in wenigstens einem vorbestimmten Zeitpunkt, insbesondere Kurbelwellenposition, der techni- sehen Einrichtung durchgeführt, insbesondere einem Einspritzzeitpunkt, Schließen eines Einlassventils, Zündzeitpunkt und/oder Verbrennungsschwerpunkt (MFB 50%). Indem das erfindungsgemäße Verfahren bzw. zum Ausführen des Verfahrens durchgeführte Berechnungen nicht über den gesamten Zyklus der Kurbelwelle, d.h. nicht- kurbelwellenwinkelaufgelöst, berechnet werden, kann erfindungsgemäß ohne wesentlichen Informationsverlust die Rechenzeit sowie die nötige Rechenleistung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wesentlich verringert werden. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist dieses des Weiteren den Arbeitsschritt des Normierens des wenigstens einen ersten Parameters und/oder des wenigstens einen zweiten Parameters und/oder des wenigstens einen dritten Parameters auf, bevorzugt in Bezug auf ein Leistungspotenzial der zu optimierenden technischen Einrichtung, insbesondere in Bezug auf einen Hubraum der Brennkraftmaschine. Durch die Normierung ist es insbesondere möglich, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren allgemeingültige Zusammenhänge darzustellen, welche nicht auf eine technische Einrichtung beschränkt sind. Bei einer Verbrennungskraftmaschine werden die Parameter dabei vorzugsweise spezifisch auf den Liter Hubraum bezogen. Darauf aufbauend können, sofern nötig, folgende spezifische Messgrößen verwendet werden:
Kraftstoffmenge in mg/Arbeitsspiel/l
Kraftstoffenergie in W/l
Enthalpieströme in und aus dem Zylinder in W/l
- Wandwärmestrom in W/l
- Indizierte Leistung von Hochdruck- und Niederdruckschleife in W/l.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist dieses des Weiteren die Arbeitsschritte des dritten Bestimmens wenigstens einen vierten Parameters durch ein zweites physikalisches Modell und/oder durch ein zweites empiri- sches Modell auf der Grundlage des wenigstens einen dritten Parameters und/oder auf der Grundlage wenigstens eines ersten Parameters aus einer Mehrzahl von ersten Parametern und/oder wenigstens eines zweiten Parameters aus einer Mehrzahl von zweiten Parametern auf. Vorzugsweise ist der wenigstens eine vierte Parameter dabei geeignet, um die zur optimierende technische Einrichtung zu charakterisieren und/oder um auf dessen Grundlage eine Veränderung der zu optimierenden technischen Einrichtung vorzunehmen, insbesondere eine Steuerung der zu optimierenden technischen Einrichtung einzustellen. Weiter vorzugsweise wird dieser vierte Parameter in einem weiteren Arbeitsschritt ausgegeben. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur modellbasierten Optimierung wird die Funktion der technischen Einrichtung kaskadenartig abgearbeitet. Dabei gehen Ausgangsparameter von Untermodellen systematisch als Eingangsparameter in weitere Untermodel- le ein. Eingänge in die empirischen Untermodelle sollen dabei möglichst über bekannte physikalische Zusammenhänge mittels physikalischer Modelle berechnet werden. Um die kaskadenartige Struktur des erfindungsgemäßen Verfahrens der modellbasierten Optimierung fortzusetzen, weist eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Arbeitsschritte des vierten Bestimmens von wenigstens einem weiteren Parameter durch wenigstens ein weiteres physikalisches Modell und/oder durch wenigstens ein weiteres empirisches Modell auf der Grundlage des wenigstens einen dritten Parameters und/oder auf der Grundlage des wenigstens einen vierten Parameters und/oder auf der Grundlage wenigstens eines einer Mehrzahl von Parametern und/oder wenigstens einer Mehrzahl von zweiten Parametern auf, wobei der wenigstens eine wei- tere Parameter geeignet ist, um die zu optimierende technische Einrichtung zu charakterisieren und/oder um auf dessen Grundlage die Steuerung der zu optimierenden technischen Einrichtung einzustellen. Vorzugsweise weist das erfindungsgemäße Verfahren des Weiteren einen Arbeitsschritt des Ausgebens des wenigstens einen weiteren Parameters auf.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das dritte Bestimmen des vierten Parameters und/oder das vierte Bestimmen des weiteren Parameters in einem anderem Zeitpunkt der technischen Einrichtung wie das zweite Bestimmen des dritten Parameters durchgeführt. Auf diese Weise können Zeitpunkte, welche für die jeweiligen physikalischen oder empirischen Modelle relevant sind, nacheinander in der Reihenfolge der Funktion der technischen Einrichtung abgearbeitet werden. Informationen, welche sich aus den vorhergehend berechneten Untermodellen ergeben, fließen dabei direkt in die nachfolgenden Untermodelle ein. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Erfassen, das erste Bestimmen, das zweite Bestimmen und gegebenenfalls das dritte Bestimmen und das vierte Bestimmen ohne Messungen an der zu optimierenden technischen Einrichtung durchgeführt. Das erfindungsgemäße Verfahren hat den beson- deren Vorteil, dass eine Optimierung nach etwaiger anfänglicher Adaption des Modells/der Modelle, vollständig ohne weitere Messungen an einem Fahrzeug auf dem Prüfstand oder im realen Fahrbetrieb vorgenommen werden kann. Insbesondere Tests, welche unter nicht-standard-Umgebungsbedingungen durchgeführt werden müssten, können hier durch eine Simulation einfach abgearbeitet werden.
Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren zur modellbasierten Optimierung einer technischen Einrichtung, insbesondere einer Brennkraftmaschine, wird ein Gesamtsystem der zu optimierenden technischen Einrichtung mit wenigstens einem physikali- sehen Modell, welches wenigstens einen bekannten physikalischen Zusammenhang charakterisiert und wenigstens einem empirischen Modell, welches auf Messungen einer Mehrzahl von bereits bekannten technischen Einrichtungen derselben Gattung, insbesondere Brennkraftmaschinen, beruht, simuliert. Vorzugsweise hängt das wenigstens eine physikalische Modell und/oder das wenigstens eine empirische Modell jeweils zu- sätzlich von einem maschinenspezifischen Einstellparameter ab, um das jeweilige Modell an die zu optimierende technische Einrichtung anzupassen. Besonders vorzugsweise hängt lediglich das wenigstens eine empirische Modell von einem maschinenspezifischen Einstellparameter ab. Weiter vorzugsweise werden in einer ersten Phase des Verfahrens wenigstens ein Messpunkt im Betrieb der zu optimierenden technischen Einrich- tung gemessen und der maschinenspezifische Einstellparameter wird auf Grundlage des wenigstens einen Messpunkts bestimmt, indem gemessene Werte mit anhand der Modelle berechneten Werte verglichen werden. Weiter vorzugsweise werden in einer zweiten Phase des Verfahrens keine Messungen mehr vorgenommen und das Gesamtsystem der zu optimierenden technischen Einrichtung wird mittels des wenigstens einen physikalischen Modells und des wenigstens einen empirischen Modells simuliert. Vorzugsweise geht ein mittels des wenigstens einen physikalischen Modells bestimmter zweiter Parameter hierbei als Eingangsparameter in das wenigstens eine empirische Modell ein. Weiter vorzugsweise geht der maschinenspezifische Einstellparameter als weiterer Eingangsparameter in das wenigstens eine physikalische Modell ein.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens hängt wenigstens eines der verwendeten physikalischen Modelle und/oder wenigstens eines der verwendeten empirischen Modelle zusätzlich von einem maschinenspezifischen Ein- stellparameter ab, um das jeweilige Modell an die zu optimierende technische Einrichtung anzupassen, wobei vorzugsweise für verschiedene Modelle jeweils ein unterschiedlicher Einstellparameter verwendet wird. Die jeweiligen Einstellparameter werden in den Untermodellen verwendet, um diese an die jeweilige technische Einrichtung anzupassen.
Für eine Verbrennungskraftmaschine ist vorzugsweise jeder Einstellparameter für ein Verbrennungssystem bestehend aus Düse, Drall und Brennraum für alle Betriebspunkte gleich. Dabei werden die Einstellparameter nicht für jeden Betriebspunkt individuell eingestellt, sondern nur für jeweils eine Hardware-Konfiguration. Vorzugsweise kann der Einstellparameter aber auch eine Funktion sein, welche von weiteren Parametern abhängt. Weiter vorzugsweise liegen den Einstellparametern physikalisch basierte Effekte zugrunde, die aber aufgrund ihrer Komplexität schwer in einem Modell zu berücksichtigen sind. Im Falle einer Verbrennungskraftmaschine ist dies beispielsweise die Interaktion zwischen Einspritzstrahl und Kolbenmulde während der Verbrennung.
Vorzugsweise sind die erfindungsgemäßen Einstellparameter direkt in die Modellstruktur eingebunden, dadurch ist es möglich, direkte oder indirekte Effekte richtig abzubilden, deren Einflüsse nicht bei allen Modelleingängen den gleichen Betrag haben. Mit den erfindungsgemäßen empirischen Untermodellen und deren großteils physikalisch berechneten Eingangsgrößen ist es möglich, im Falle von Verbrennungskraftmaschinen die Verbrennung in neuen Motoren ohne Anpassung der Modellkoeffizienten nur durch Vorgabe der Zustände vor und nach dem Zylinder zu vorbestimmten Zeitpunkten, der geometrischen Daten, der Kraftstoffeigenschaften, der Einspritzparameter aus dem Motorsteuergerät sowie durch eine Anpassung von Einstellparametern zu berechnen. Die Einstellparameter stellen dabei einen guten Kompromiss zwischen Parametrierauf- wand und Modellgenauigkeit dar und werden bei einem Dieselmotor oder Ottomotor insbesondere verwendet, um die Kompression, den Zündverzug, die Durchbrenngeschwindigkeit sowie die Verlustleistung, insbesondere die Reibleistung, motorspezifisch zu adaptieren. Mit gleichen Untermodellen kann auf diese Weise vorzugsweise bei nicht an der Erstellung der empirischen Modelle beteiligten Verbrennungskraftmaschinen (aber gleicher Gattung) der Verbrennungsvorgang berechnet werden. Die Einstellparameter für die empirischen Untermodelle werden dabei so gewählt, dass alle Motoren mit ein und demselben Parametersatz abgebildet werden können. Das Verwenden von Einstellparametern als zusätzliche Modelleingänge in die empirischen Untermodelle hat den Vorteil, dass Interaktionen von Einstellparametern und Modelleingangsparametern erfolgen können und die Einstellparameter daher keine konstanten Offsets oder Faktoren sind.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung stehen als Einstellparameter ein Kompres- sions-Einstellparameter bzw. Polytropenexponent-Einstellparameter für ein Polytropen- exponent-Modell, ein Zündverzug-Einstellparameter für ein Zündverzugmodell, ein Verbrennungsschwerpunkt-Einstellparameter für das Verbrennungsschwerpunktsmodell (MFB 50%), ein Motorreibungs-Einstellparameter für ein Reibleistungsmodell, ein Restgas-Einstellparameter für ein Restgasgehalt-Modell, ein Füllrechnungs-Einstellparameter für ein Frischluftmassen-Modell, ein Hochdruckleistung-Einstellparameter für ein Modell der indizierten Hochdruckleistung und/oder ein Ladungswechselverlust-Einstellparameter für ein Ladungswechselverlustmodell zur Verfügung. Für die Optimierung eines Diesel- motors kommen vorzugsweise der Kompressions-Einstellparameter, der Zündverzugs- Einstellparameter, der Verbrennungsschwerpunkt-Einstellparameter und der Motorrei- bungs-Einstellparameter zum Einsatz. Für einen Ottomotor kommen vorzugsweise der Zündverzug-Einstellparameter, der Verbrennungsschwerpunkt-Einstellparameter, der Motorreibungs-Einstellparameter, der Füllrechnungs-Einstellparameter, der Restgasgeh- alt-Einstellparameter, der Ladungswechselverlust-Einstellparameter und der Hochdruckleistung-Einstellparameter zum Einsatz.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein Wert wenigstens eines maschinenspezifischen Einstellparameters für alle Betriebspunk- te der zu optimierenden technischen Einrichtung, insbesondere der Brennkraftmaschine, gleich, wobei die Brennkraftmaschinen vorzugsweise durch wenigstens eine der folgenden Gruppen definiert ist: Düse, Brennraum und Ladungsbewegung, insbesondere Drall oder Tumble; Ventilcharakteristik und Einlassgeometrie; Verlustleistungscharakteristik. Für einen Dieselmotor beispielsweise sind die Einstellparameter jeweils für ein Verbren- nungssystem, bestehend aus Düse, Drall und Brennraum für sämtliche Betriebspunkte vorzugsweise gleich. Somit müssen die Einstellparameter nicht für jeden Betriebspunkt individuell, sondern nur für eine Hardware-Konfiguration des Motors eingestellt werden. Als Basiswert für die Berechnung von neuen Motoren, von denen keine Messdaten vor- liegen, können beispielsweise Mittelwerte aus den bei der Modellerstellung gefundenen Einstellparametern verwendet werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der maschinenspezifische Einstellparameter ein weiterer Eingangsparameter für das jeweilige Modell, welche für den gesamten Betriebsbereich der zu optimierenden technischen Einrichtung konstant ist. Wie bereits ausgeführt, erfolgt die Einstellung des maschinenspezifischen Einstellparameters in Abhängigkeit von der zu optimierenden technischen Einrichtung. Für die Simulation einer einzigen Einrichtung ist der Einstellparameter vor- zugsweise konstant. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt daher eine besonders einfache und einmal durchzuführende Anpassung des Gesamtmodells beziehungsweise der jeweiligen Untermodelle an eine spezifische technische Einrichtung.
Daher wird in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfah- rens als Ausgangswert für einen maschinenspezifischen Einstellparameter der zu optimierenden technischen Einrichtung ein auf der Grundlage der Werte von Einstellparametern der Mehrzahl von bereits bekannten technischen Einrichtungen, insbesondere also ein Mittelwert, ermittelt. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist dieses des Weiteren vorzugsweise folgende Arbeitsschritte auf: Messen wenigstens eines Messpunkts im Betrieb der zu optimierenden technischen Einrichtung; und Bestimmen des maschinenspezifischen Einstellparameters auf der Grundlage des wenigstens einen Messpunkts, indem gemessene Werte mit berechneten Werten des ersten Para- meters oder zweiten Parameters bei gleichen Eingangsparametern verglichen werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist dieses des Weiteren den Arbeitsschritt des Erfassens des wenigstens einen zweiten Parameters und des Bestimmens des wenigstens einen maschinenspezifischen Einstellpa- rameters auf der Grundlage des wenigstens einen erfassten zweiten Parameters, insbesondere durch Vergleich von wenigstens einem erfassten Wert mit wenigstens einem anhand des ersten empirischen Modells bestimmten Wert des wenigstens einen dritten Parameters, auf. Weiter vorzugsweise wird auch der wenigstens eine dritte Parameter erfasst der wenigstens eine maschinenspezifische Einstellparameters auf dessen Grundlage, insbesondere durch Vergleichen von wenigstens einem erfassten Wert mit wenigstens einem anhand des ersten empirischen Modells bestimmten Wertes des wenigstens einen dritten Parameters, bestimmt.
Weiter vorzugsweise wird auch der wenigstens eine vierte Parameter erfasst und der wenigstens eine Einstellparameter auf der Grundlage des erfassten wenigstens einen vierten Parameters, insbesondere durch Vergleich von wenigstens einem erfassten Wert mit wenigstens einem anhand des zweiten empirischen Modells bestimmten Wert des wenigstens einen vierten Parameters.
Weiter vorzugsweise wird der wenigstens eine weitere Parameter erfasst und der we- nigstens eine Einstellparameter auf der Grundlage des erfassten wenigstens einen Parameters bestimmt, insbesondere durch Vergleich von wenigstens einem erfassten Wert mit einem anhand des weiteren empirischen Modells gefundenen Wertes des wenigstens einen weiteren Parameters. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist dieses des Weiteren den Arbeitsschritt des Veranderns wenigstens eines ersten Parameters der zu optimierenden technischen Einrichtung auf der Grundlage des wenigstens einen dritten Parameters, des wenigstens einen vierten Parameters und/oder des wenigstens einen weiteren Parameters auf.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist dieses den Arbeitsschritt des Veränderns des wenigstens einen ersten Parameters der zu optimierenden technischen Einrichtung auf der Grundlage des wenigstens einen dritten Parameters, des wenigstens einen vierten Parameters und/oder des wenigstens ei- nen weiteren Parameters auf. Die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur modellbasierenden Optimierung bestimmten Werte der jeweiligen Parameter bzw. Wertekurven der jeweiligen Parameter lassen Rückschlüsse darauf zu, wie die technische Ein- richtung an sich oder deren Steuerung verändert werden müssen, um die Funktion der technischen Einrichtung zu optimieren.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist dieses des Weiteren den Arbeitsschritt des Bewertens des wenigstens einen dritten Parameters, des wenigstens einen vierten Parameters und/oder des wenigstens einen weiteren Parameters anhand einer Referenz auf. Hierdurch kann eine Bewertung der dem erfindungsgemäßen Verfahren unterzogenen Konfiguration einer technischen Einrichtung anhand verschiedener Kriterien bewertet werden. Vorzugsweise wird diese Bewer- tung auch ausgegeben.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der wenigstens eine erste Parameter durch ein Steuergerät für die zu optimierende technische Einrichtung vorgegeben oder eingestellt. Hierdurch kann die auf einem Steuerge- rät für die technische Einrichtung hinterlegte Steuerfunktion bzw. -funktionen geprüft werden. Die Antwort des erfindungsgemäßen Verfahrens entspricht dabei der simulierten Reaktion der technischen Einrichtung.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der wenigstens eine erste Parameter durch eine Veränderung konstruktiver Merkmale der zu optimierenden technischen Einrichtung beeinflussbar.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das wenigstens eine empirische Modell ein polynomisches Modell, dessen Koeffizienten an- hand der Messungen an der Mehrzahl von bereits bekannten technischen Einrichtungen derselben Gattung, insbesondere Brennkraftmaschinen, durch eine Ausgleichsrechnung bestimmt sind, wobei der Einstellparameter ein Eingangsparameter des empirischen Modells ist, welcher mit wenigstens einem Koeffizienten multipliziert wird und welcher für die zu optimierende technische Einrichtung konstant ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als erster Parameter wenigstens einer aus den folgenden Gruppen ausgewählt: Geometrische Daten, insbesondere Bohrung, Hub, Pleuellänge, Verdichtungsverhältnis, Zylinderanzahl, Anzahl der Einspritzlöcher, Durchfluss Einspritzdüse und/oder Verhältnis Zylinderoberfläche/Zylindervolumen, Kurbelradius, Hubvolumen eines Zylinders, Verdichtungsvolumen eines Zylinders, effektiver Strömungsquerschnitt Düsenloch, Düsenlochdurchmesser, Ventilhubkurven, La- dungsbewegungsklappe;
Daten in Bezug auf einen Betriebspunkt, insbesondere Einspritzbeginn der Haupteinspritzung, Drehzahl, Haupteinspritzmenge, Voreinspritzmenge, Nachein- spritzmenge, Einspritzbeginn einer Nacheinspritzung, Zylinderdruck bei Einspritzbeginn, Druck im Saugrohr, Kolbenweg bei Einspritzbeginn, Hubvolumen bei Einspritzbeginn, Zylindervolumen bei Einspritzbeginn, Temperatur bei Einspritzbeginn, Kühlmitteltemperatur, Öltemperatur, Zündzeitpunkt;
Luftpfadbezogene Daten, insbesondere Ladedruck, Ladelufttemperatur, Druck im Auslasssammler, Druck nach Turbine, Einlass und Auslass-Ventil Öffnungs- und Schließzeitpunkte, AGR-Rate, Liefergrad, Absolute Luftfeuchtigkeit Sauerstoffkonzentration in Luft, Druck und Temperatur im Saugrohr, Temperatur im Auslasssammler, maximale Einlass und Auslass-Ventilerhebung;
Kraftstoffsystembezogene Daten, insbesondere hydraulischer Verzug Spritzbeginn, hydraulischer Verzug Spritzende, Kraftstoffdichte, Dauer der Haupteinspritzung, Einspritzbeginn, vorzugsweise Bestromungsbeginn Haupteinspritzung, Einspritzende, Einspritzdruck, Bestromungsbeginn Voreinspritzung, und/oder Bestromungsbeginn Nacheinspritzung, Einlasssammlertemperatur, Kraftstoffanteil der Tankentlüftung;
Verbrennungsbezogene Daten, insbesondere unterer Heizwert, Lambda-Wert, Zylinderoberfläche bei einem Kurbelwinkel des zu 50% verbrannten Gemisches (MFB 50%), volumenspezifische Kraftstoffleistung, volumenspezifische Kraftstoffmenge, volumenspezifische Kraftstoff I ei stung einer Nacheinspritzung.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens... als zweiter Parameter und/oder vierter Parameter wenigstens einer aus den folgenden Gruppen ausgewählt, welche auf der Grundlage eines physikalischen Modells ermittelt werden: Kraftstoffmassenstrom, insbesondere kann dieser aus in einer Messzeit verbrauchten Volumen und der bekannten Kraftstoffdichte berechnet werden, wobei als Eingangsparameter für ein physikalisches Modell zur Bestimmung des Kraftstoffmassenstroms im Zylinder wenigstes ein Parameter aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist:
Kraftstoffdichte;
Voreinspritzmenge;
Haupteinspritzmenge;
Nacheinspritzmenge;
Gaszusammensetzung im Zylinder, insbesondere Sauerstoffkonzentration im Zylinder, wobei als Eingangsparameter für ein physikalisches Modell zur Bestimmung der Gaszusammensetzung im Zylinder wenigstes ein Parameter aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist:
Lambda;
AGR-Rate oder Restgasgehalt im Zylinder;
Luftfeuchtigkeit;
massenbezogene Wärmemenge, wobei als Eingangsparameter für ein physikalisches Modell zur Bestimmung der massenbezogene Wärmemenge wenigstes ein Parameter aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist:
Kraftstoffmassenstrom;
gesamter Zylindermassestrom inkl. Restgas;
unterer Heizwert;
Kolbenbewegung, insbesondere mittlere Kolbengeschwindigkeit, Kolbengeschwindigkeit bei Einspritzbeginn, Zylindervolumen bei Einspritzbeginn und/oder ein Verdichtungsverhältnis bei Einspritzbeginn, insbesondere effektives ein Verdichtungsverhältnis bei Einspritzbeginn, Zylindervolumen bei Einlassventil Schließen, Zylindervolumen zum Zündzeitpunkt, Kolbengeschwindigkeit bei Einlassventil Schließen, Kolbengeschwindigkeit bei Zündzeitpunkt, wobei als Eingangsparameter für ein physikalisches Modell zur Bestimmung der Kolbenbewegung wenigstes ein Parameter aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist:
Drehzahl;
Hub; Kurbelradius;
Pleuellänge;
Kurbelwellenwinkel bei Einspritzbeginn;
Polytropenexponent;
Zylinderdruck bei Einspritzbeginn;
Druck im Saugrohr;
Hubvolumen eines Zylinders;
Verdichtungsvolumen eines Zylinders;
Kolbenweg bei Einspritzbeginn;
Bohrung;
Hubvolumen bei Einspritzbeginn;
Kolbenweg bei Zündzeitpunkt;
Hubvolumen bei Zündzeitpunkt;
Kolbenweg beim Schließen des Einlassventils;
Hubvolumen beim Schließen des Einlassventils;
thermodynamischer Zustand im Zylinder bei Einspritzbeginn, wobei als Eingangsparameter für ein physikalisches Modell zur Bestimmung des thermodyna- mischen Zustands im Zylinder bei Einspritzbeginn wenigstes ein Parameter aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist:
Zylinderdruck bei Einspritzbeginn;
Temperatur bei Einspritzbeginn;
gesamte Masse im Zylinder;
ideale Gaskonstante;
thermodynamischer Zustand im Zylinder bei Einlassventil Schließen, wobei als Eingangsparameter für ein physikalisches Modell zur Bestimmung des thermody- namischen Zustands im Zylinder bei Einlassventil Schließen wenigstens ein Parameter aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist:
Druck im Zylinder bei Einlassventil Schließen;
Gasgemischtemperatur im Zylinder bei Einlassventil Schließen;
Luftmasse im Zylinder (Frischluft und Restgas);
Kraftstoffmasse im Zylinder;
Gaskonstante des Luft/Kraftstoffgemischs im Zylinder; thermodynamischer Zustand im Zylinder zum Zündzeitpunkt, wobei als Eingangsparameter für ein physikalisches Modell zur Bestimmung des thermodyna- mischen Zustands im Zylinder zum Zündzeitpunkt wenigstens ein Parameter aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist:
Druck im Zylinder zum Zündzeitpunkt;
Gasgemischtemperatur im Zylinder zum Zündzeitpunkt;
Luftmasse im Zylinder (Frischluft und Restgas);
Kraftstoffmasse im Zylinder;
Gaskonstante des Luft/Kraftstoffgemischs;
Austrittsgeschwindigkeit aus einer Düse und/oder Tropfendurchmesser, wobei als Eingangsparameter für ein physikalisches Modell zur Bestimmung der Austritts- geschwindigkeit aus einer Düse wenigstes ein Parameter aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist:
Zylinderdruck bei Einspritzbeginn;
Einspritzdruck;
Kraftstoffdichte;
Durchfluss Einspritzdüsen, insbesondere laut Hersteller;
Anzahl der Düsenlöcher;
effektiver Strömungsquerschnitt Düsenloch;
Düsenlochdurchmesser;
Eigenschaften des Kraftstoffs, insbesondere Oberflächenspannung eines Kraftstoffs und/oder kinematische Viskosität des Kraftstoffs;
Ladungsdichte bei Einspritzbeginn;
Zylinderdruck bei Einspritzbeginn;
mittlerer Tropfendurchmesser;
Tropfendurchmesser, wobei als Eingangsparameter für ein physikalisches Modell zur Bestimmung des Tropfendurchmessers wenigstes ein Parameter aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist:
Einspritzdruck.
effektiver Strömungsquerschnitt Düsenloch;
Düsenlochdurchmesser; Brennbeginn, wobei als Eingangsparameter für ein physikalisches Modell zur Bestimmung des Brennbeginns wenigstes ein Parameter aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist:
Einspritzbeginn oder Zündzeitpunkt;
Zündverzug;
Abgastemperatur am Zylinderaustritt, wobei als Eingangsparameter für ein physikalisches Modell zur Bestimmung der Abgastemperatur am Zylinderaustritt wenigstes ein Parameter aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist:
Verlustleistung über Zylinderwände;
Indizierter Mitteldruck;
Chemisch gebundene Energie des Kraftstoffes
Einlassenthalpie.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist als dritter Parameter, vierter Parameter und/oder weiterer Parameter wenigstens einer aus den folgenden Gruppen ausgewählt, welcher auf der Grundlage eines empirischen Modells ermittelt werden:
• Druck im Zylinder bei Einlassventil-Schließen, wobei als Eingangsparameter für ein empirisches Modell zur Bestimmung des Drucks im Zylinder bei Einlassventil- Schließen wenigstens ein Parameter aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist:
Zeitpunkt Einlassventil Schließen;
Druck und Temperatur im Saugrohr:
Kolbengeschwindigkeit bei Einlassventil-Schließen;
Kraftstoff menge im Zylinder zum Zeitpunkt Einlassventil-Schließen; - Unterscheidungskriterium Einlassventil-Schließen vor oder nach
Ladungswechsel-oberer Totpunkt;
• Polytropenexponent, insbesondere Temperatur und Druck bei Einspritzbeginn, wobei als Eingangsparameter für ein empirisches Modell zur Bestimmung des Po- lytropenexponents wenigstens ein Parameter aus der folgenden Gruppe ausge- wählt ist:
Drehzahl;
Gasgemischtemperatur im Zylinder bei Einlassventil-Schließen; Basis Polytropenexponent;
Einspritzbeginn;
Einlasssammlertemperatur;
Massenbezogene Wärmemenge;
Zylindervolumen zum Zündzeitpunkt;
Lambda-Wert;
Polytropenexponent Einstellparameter
Zündverzug, wobei als Eingangsparameter für ein empirisches Modell zur Bestimmung des Zündverzugs wenigstes ein Parameter aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist:
Drehzahl;
Gastemperatur und/oder Druck im Zylinder bei Beginn der Einspritzung oder zum Zündzeitpunkt;
Einlassventilhub;
Stellung der Ladungsbewegungsklappe;
Tropfendurchmesser;
Sauerstoffkonzentration;
Kolbengeschwindigkeit bei Einspritzbeginn;
Zündverzug Einstellparameter;
Restgasgehalt im Zylinder;
Mittlere Kolbengeschwindigkeit;
Lambda-Wert:
Zündzeitpunkt;
Kraftstoffmengenäquivalent für Kraftstoff menge im Zylinder;
Verbrennungsschwerpunkt, wobei als Eingangsparameter für ein empirisches Modell zur Bestimmung des Verbrennungsschwerpunkts wenigstes ein Parameter aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist:
Drehzahl;
Restgasgehalt im Zylinder;
Einlassventilhub;
Einspritzdauer;
Zündverzug; Austrittsgeschwindigkeit aus Einspritzdüse;
Sauerstoffkonzentration in einem Brennraum;
Zündzeitpunkt;
Lambda;
Mittlere Kolbengeschwindigkeit;
Stellung der Ladungsbewegungsklappe;
Verlustleistung über die Zylinderwände, wobei als Eingangsparameter für ein empirisches Modell zur Bestimmung der Verlustleistung über die Zylinderwände wenigstes ein Parameter aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist:
Volumenspezifische Kraftstoffleistung der Haupteinspritzung;
Oberfläche-Volumen-Verhältnis eines Brennraums;
Kolbengeschwindigkeit;
Restgasgehalt im Zylinder;
1/Lambda;
Verbrennungsschwerpunkt und/oder Zylinderoberfläche bei Verbrennungsschwerpunkt;
AG R- Rate;
Brennbeginn;
Temperatur bei Einspritzbeginn;
Volumenspezifische Kraftstoffleistung einer Nacheinspritzung;
Einspritzbeginn der Nacheinspritzung;
Unterscheidungskriterium Verlustleistungsrechnung für hohe und niedrige Motorlasten;
Druck im Zylinder zum Zündzeitpunkt;
Gasgemischtemperatur im Zylinder zum Zündzeitpunkt; indizierter Mitteldruck der Hochdruckschleife, wobei als Eingangsparameter für ein empirisches Modell zur Bestimmung des indizierten Mitteldrucks der Hochdruckschleife wenigstes ein Parameter aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist:
Volumenspezifische Kraftstoff leistung;
Volumenspezifischer Wandwärmestrom;
Brennbeginn; Verbrennungsschwerpunkt, insbesondere Verbrennungsdauer bis zu Verbrennungsschwerpunkt;
Volumenspezifische Kraftstoffleistung einer Nacheinspritzung;
Einspritzbeginn einer Nacheinspritzung;
Unterscheidungskriterium Rechnung indizierter Leistung für hohe und niedrige Motorlasten;
Einstellparameter;
Lambda-Wert;
Kolbengeschwindigkeit;
Zylinderspitzendruck, wobei als Eingangsparameter für ein empirisches Modell zur Bestimmung des Zylinderspitzendrucks wenigstes ein Parameter aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist:
Druck bei Einspritzbeginn der Haupteinspritzung;
Brennbeginn;
Durchbrenndauer;
Spezifische Kraftstoffmasse, insbesondere aus Kraftstoffmassen- fluss;
Reibleistung, wobei als Eingangsparameter für ein empirisches Modell zur Bestimmung der Reibleistung wenigstes ein Parameter aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist:
Zylinderspitzendruck;
Mittlere Kolbengeschwindigkeit;
Kühlmitteltemperatur;
Öltemperatur;
Einstellparameter Motorreibung;
Hochdruckleistung;
Ladungswechselverluste
Druck im Saugrohr;
Druck im Auslasssammler;
Bohrung;
Angesaugte Frischluftmenge:
Einlassventilhub; Einstellparameter;
Stickoxidemissionen, wobei als Eingangsparameter für ein empirisches Modell zur Bestimmung der Stickoxidemissionen wenigstes ein Parameter aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist:
Sauerstoffkonzentration bei Brennbeginn (aus Gaszusammensetzung);
Brennbeginn der Haupteinspritzung;
MFB50%;
Einstellparameter;
Scavenging-Parameter;
Brenndauer Verbrennungsbeginn bis Verbrennungsschwerpunkt;
Drehzahl;
1/Lambda;
Temperatur bei Einspritzbeginn der Haupteinspritzung; Mittlere Kolbengeschwindigkeit;
Gasgemischtemperatur im Zylinder zum Zündzeitpunkt;
Lambdaäquivalent;
Frischluftmenge im Zylinder;
Restgasgehalt im Zylinder;
Brenndauer-Parameter.
Kohlenwasserstoffemissionen, wobei als Eingangsparameter für ein empirisches Modell zur Bestimmung der Kohlenwasserstoffemissionen wenigstes ein Parameter aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist:
Mittlere Kolbengeschwindigkeit
Frischluftmenge im Zylinder
Lambdaäquivalent
Brenndauer Beginn bis MFB50%
Indizierter Mitteldruck
Zylinderwandtemperatur
Restgasgehalt im Zylinder
Scavenging Parameter
Brenndauer-Parameter. Kohlenmonoxidemissionen, wobei als Eingangsparameter für ein empirisches Modell zur Bestimmung der Kohlenmonoxidemissionen wenigstens ein Parameter aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist:
Lambdaäquivalent;
Mittlere Kolbengeschwindigkeit;
Frischluftmenge im Zylinder;
Temperatur des rückgesaugten Abgases;
Einspritzbeginn und Dauer der ersten und der weiteren Einspritzungen;
Restgasgehalt im Zylinder;
Brenndauer-Parameter;
Scavenging-Parameter.
Rußemission, wobei als Eingangsparameter für ein empirisches Modell zur Bestimmung der Stickoxidemissionen wenigstes ein Parameter aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist:
Lambda;
AG R- Rate;
Einspritzdruck. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das wenigstens eine erste, das wenigstens eine zweite und/oder das wenigstens eine dritte empirische Modell aus den Messungen einer Mehrzahl von bereits bekannten technischen Einrichtungen durch eine Methode der begrenzten Fehlerquadrate bestimmt. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens gehen in die Kalibrierung wenigstens vier verschiedene empirische Modelle, bevorzugt wenigstens sechs verschiedene empirische Modelle, besonders bevorzugt acht verschiedene empirische Modelle, am bevorzugtesten elf verschiedene empirische Modelle ein. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens geht in jedes der wenigstens vier verschiedenen empirischen Modelle jeweils ein maschinenspezifischer Einstellparameter als Eingangsparameter ein. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmen die empirischen Modelle einen Polytropenexponent, einen Zündverzug, einen Verbrennungsschwerpunkt und eine Reibleistung.
Die in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren und dessen vorteilhafte Ausgestaltungen beschriebenen Merkmale und Vorteile gelten auch für das erfindungsgemäße weitere Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung entsprechend und umgekehrt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des weiteren erfindungsgemäßen Verfahrens ist wenigstens ein erster Parameter in Bezug auf die zu optimierende technische Einrichtung, welche eine physikalische Größe charakterisiert, ein Eingangsparameter des wenigstens einen physikalischen Modells und ein mittels des wenigstens einen empirischen Modells bestimmter dritter Parameter, welcher geeignet ist, um die zu optimierende technische Einrichtung zu charakterisieren und/oder um auf dessen Grundlage eine Veränderung der zu optimierenden technischen Einrichtung vorzunehmen, insbesondere eine Steuerung der zu optimierenden technischen Einrichtung einzustellen, wird ausgegeben.
Die im Vorherstehenden beschriebenen Aspekte der Erfindung und die dazugehörigen zur Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens offenbarten Merkmale gelten auch für den Aspekt der erfindungsgemäßen Vorrichtung entsprechend.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigen wenigstens teilweise schematisch:
Figur 1 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur modellbasierten Optimierung einer technischen Einrichtung;
Figur 2 ein Blockdiagramm zur Darstellung des Informationsflusses in Bezug auf die physikalischen Modelle bei einer Optimierung eines Dieselmotors; Figur 3 eine Darstellung des Informationsflusses in Bezug auf die empirischen Modelle in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in Bezug auf einen Dieselmotor; Figur 4 eine Darstellung des Informationsflusses zwischen den empirischen Modellen einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in Bezug auf einen Dieselmotor;
Figur 5 eine Darstellung des Informationsflusses zwischen den empirischen Modellen einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in Bezug auf einen Ottomotor;
Figur 6 ein Flussdiagramm für die Erstellung eines dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrundeliegenden Modells;
Figur 7 ein Diagramm eines Betriebsbereichs eines Motors;
Figur 8 ein Paritätsdiagramm für ein empirisches Modell; Figur 9 eine andere Darstellung des Paritätsdiagramms aus Fig. 8;
Figur 10 eine Darstellung eines Betriebsbereichs von drei Motoren;
Figur 1 1 ein Paritätsdiagramm für ein empirisches Modell auf der Grundlage von den drei Motoren;
Figur 12 ein Paritätsdiagramm nach Fig. 1 1 , wobei in dem empirischen Modell Einstellparameter berücksichtigt sind; Figur 13 ein Interaktionsdiagramm für einzelne Eingangsparameter in ein empirisches Modell des Zündverzugs; Figur 14 ein Pahtätsdiagramm, wobei ein empirisches Modell unterschiedliche Offsets für die einzelnen Motoren vorsieht;
Figur 15 den Ablauf bei der Modellerstellung der einzelnen empirischen Modelle für eine Gesamtsimulation einer Brennkraftmaschine in chronologischer Reihenfolge;
Figur 16 mehrere Diagramme von Parametern, die den Betrieb einer Brennkraftmaschine charakterisieren, sowohl von an einer realen Brennkraftmaschine gemessene Werten als auch von mit einer Ausführungsform der Erfindung berechneten Werten; und
Figur 17 einen Vergleich von gemessenen zu mit dem erfindungsgemäß berechneten Werten einiger der Parameter aus Fig. 16.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Brennkraftmaschine als technischer Ein- richtung beschrieben, insbesondere anhand eines Dieselmotors. Die Erfindung kann jedoch auch grundsätzlich auf die Optimierung anderer technischer Einrichtungen übertragen werden, welche Funktionsweisen aufweisen, die eine Unterteilung in gemessene physikalische Größen, physikalische Modelle und empirische Modelle zulassen. Anhand des Blockdiagramms aus Fig. 1 wird der Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur modellbasierten Optimierung erläutert.
Bei dieser modellbasierten Optimierung kommen einerseits physikalische Modelle, welches wenigstens einen bekannten physikalischen Zusammenhang charakterisieren, und andererseits empirische Modelle, welche mittels einer Ausgleichsrechnung, insbesondere einer Regressionsanalyse, auf der Grundlage einer Mehrzahl von bereits bekannten technischen Einrichtungen derselben Gattung, erstellt werden, zum Einsatz.
Das Verfahren lässt sich in zwei Phasen aufteilen. In einer ersten Phase (Phase 1 ) wer- den die empirische Modelle, welche die für eine Gattung von Brennkraftmaschinen allgemeingültigen Abhängigkeiten wiederspiegeln, an die jeweils zu optimierende Brennkraftmaschine angepasst. Hierfür wird eine möglichst geringe Anzahl von Messpunkten im Betrieb der zu optimierenden Brennkraftmaschine, beispielsweise auf dem Prüfstand, gemessen 10A.
Zusätzlich wird das empirische Modell bzw. werden die empirischen Modelle mit densel- ben Werten für die Eingangsparameter beaufschlagt wie die Brennkraftmaschine auf dem Prüfstand, d.h. die Simulation wird für denselben Messpunkt durchgeführt. Gemessenen Werte von Ausgangsparametern, d.h. Betriebsparametern der Brennkraftmaschine, welche sich infolge der Vorgabe von Eingangsparametern einstellen, werden mit Werten verglichen, welche anhand des anzupassenden empirischen Modells bzw. der Modelle für den Messpunkt bestimmt wurden. Der Einstellparameter des empirischen Modells bzw. die Einstellparameter der empirischen Modelle werden schließlich in Weise gewählt, dass eine möglichst große Übereinstimmung mit den gemessenen Werten der Ausgangsparameter erreicht wird 10B. Hierfür können insbesondere Methoden der Ausgleichsrechnung wie die Regressionsanalyse oder die Methode der kleinsten Fehler- quadrate eingesetzt werden.
Die zweite Phase kann wiederum in drei funktionale Abschnitte A, B, C gegliedert werden. In Abschnitt A werden physikalische Größen erfasst, insbesondere eingegeben oder gemessen, welche als Eingangsparameter in die erfindungsgemäß angewandten Modelle bzw. Untermodelle dienen
In Abschnitt B sind die in dem erfindungsgemäßen Verfahren angewandten physikali- sehen Modelle zusammengefasst, welche einerseits physikalische Größen als Eingangsparameter empfangen und andererseits anhand der physikalischen Modelle ermittelte Ausgangsparameter an empirische Modelle in Abschnitt C als Eingangsparameter weitergeben. Die empirischen Modelle in Abschnitt C weisen als Eingangsparameter optional auch physikalische Größen auf, welche unmittelbar erfasste Größen sind und kein physikalisches Modell durchlaufen haben. Ausgangsparameter der empirischen Modelle in Abschnitt C können wiederum als Eingangsparameter für die physikalischen Modelle in Ab- schnitt B oder weitere empirische Modelle in Abschnitt C dienen. Auf diese Weise wird der Verbrennungsvorgang einer Brennkraftmaschine kaskadenartig nachgebildet, wobei insbesondere die Abfolge der in dem erfindungsgemäß verwendeten empirischen Untermodelle dem Verlauf der Verbrennung folgt.
Um möglichst globale Gültigkeit zu haben, werden möglichst große Teile aus dem Stand der Technik in den empirischen Modellen enthaltenen physikalischen Zusammenhänge in physikalische Modelle ausgelagert. Dadurch kann die Anzahl an Eingangsparametern in den empirischen Modellen reduziert werden. Auf diese Weise ist es einfach, bei einer bestehenden technischen Einrichtung geometrische Randbedingungen zu ändern und die dadurch verursachten Änderungen zu ermitteln.
Die Verfahrensschritte folgen vorzugsweise der durch die Reihenfolge der einzelnen Arbeitsschritte in den Ansprüchen angegebene Reihenfolge, welche sich auch in Fig. 1 wiederfindet. Die Arbeitsschritte können jedoch auch in einer anderen Reihenfolge ablaufen, solange eine Abbildung der funktionalen Abhängigkeiten möglich ist:
An der zu optimierenden Brennkraftmaschine werden vorzugsweise physikalische Größen erfasst, um die Brennkraftmaschine charakterisieren 101.
Die physikalischen Größen charakterisieren hierbei die technische Einrichtung und/oder deren Gattung ganz allgemein und können im Wesentlichen in zwei Kategorien unterteilt werden: Zum einen kann es sich hierbei um physikalische Größen handeln, welche von einem Steuergerät der zu optimierenden technischen Einrichtung vorgegeben oder eingestellt werden, beispielsweise die Drosselklappenstellung, etc.
Alternativ oder zusätzlich können diese physikalischen Größen konstruktive Merkmale der zu optimierenden technischen Einrichtung sein, welche entweder als Konstruktionsdaten bekannt sind oder gemessen werden können. Beispiele hierfür sind Düsengeometrie, Brennraum und Ladungsbewegung, insbesondere Drall oder Tumble, Ventilcharakteristik, Einlasskanalgeometrie und/oder Verlustleistungscharakteristik. Vorzugsweise lassen sich anhand der erfassten physikalischen Größen auch detailliertere Aussagen über die Funktion der Brennkraftmaschine machen. Die so erfassten ersten Parameter werden dabei vorzugsweise in der Weise ausgewählt, um die physikalischen Modelle in Abschnitt B und/oder die empirischen Modelle in Abschnitt C mit den notwendigen Eingangsparametern zu versorgen.
Die erfassten physikalischen Größen werden in einem weiteren Arbeitsschritt vorzugsweise normiert, um die physikalischen Größen in Bezug auf Brennkraftmaschinen glei- eher Gattung, aber beispielsweise unterschiedlicher Leistungsstufe, vergleichbar zu machen 102. In einem darauffolgenden Arbeitsschritt wird wenigstens eine der erfassten physikalischen Größen dazu verwendet, ein physikalisches Untermodell zu berechnen 103. Der bzw. die aus dem physikalischen Modell hergeleiteten Ausgangsparameter werden wiederum dazu verwendet, in einem darauffolgenden Arbeitsschritt ein empiri- sches Untermodell zu berechnen 104. Es ist vorzugsweise auch möglich, dass mehrere physikalische Modelle herangezogen werden, um das in Schritt 104 berechnete empirische Untermodell mit Eingangsparametern zu versorgen. Weiterhin vorzugsweise können auch erfasste physikalische Größen direkt in die Berechnung 104 des empirischen Untermodells einfließen.
In einem weiteren Arbeitsschritt wird der Ausgangsparameter bzw. die Ausgangsparameter des berechneten empirischen Modells an ein physikalisches Modell in Abschnitt B oder ein empirisches Modell in Abschnitt C übergeben 105. Vorzugsweise geben diese weiteren Untermodelle Zusammenhänge an, welche in der Abfolge des Verbrennungs- Vorgangs zeitlich nach dem in Arbeitsschritt 104 berechneten empirischen Untermodell liegen. Wird der Ausgangsparameter oder die Ausgangsparameter aus Arbeitsschritt 104 an ein physikalisches Modell übergeben, so wird mittels diesem in einem weiteren Arbeitsschritt 106a vorzugsweise ein weiterer Ausgangsparameter berechnet, welcher wiederum an ein drittes physikalisches Modell oder an ein zweites empirisches Modell aus- gegeben wird 107a.
In einem weiteren Arbeitsschritt wird vorzugsweise das zweite empirische Modell berechnet 106b, wobei der Ausgangsparameter aus dem ersten empirischen Modell, der Ausgangsparameter aus dem zweiten physikalischen Modell und/oder eine weitere physikalische Größe vorzugsweise als Eingangsparameter dienen. Der von dem zweiten empirischen Modell ausgegebene Ausgangsparameter dient als Eingangsparameter für das dritte physikalische Modell und/oder ein drittes empirisches Modell und wird daher vorzugsweise an dieses ausgegeben 107b. Vorzugsweise wird in dem dritten physikalischen Modell ein weiterer Ausgangsparameter berechnet 108a, vorzugsweise anhand des von dem zweiten physikalischen Modell ausgegebenen Ausgangsparameters, dem von dem zweiten empirischen Modell ausgegebenen Ausgangsparameter und/oder einer weiteren erfassten physikalischen Größe 108a. Der Ausgangswert des dritten physikali- sehen Modells wird an das dritte empirische Modell übergeben und das dritte empirische Modell wird anhand dieses Parameters, dem Ausgangsparameter des zweiten empirischen Modells und/oder einer weiteren physikalischen Größe berechnet 108b und vorzugsweise ausgegeben 109b. Die im Vorhergehenden in Bezug auf Fig. 1 dargestellte kaskadierte Verfahrensweise einer Kombination von Informationen aus erfassten physikalischen Größen, aus physikalischen Modellen und aus empirischen Modellen kann vorzugsweise beliebig oft wiederholt werden, wie dies ebenfalls in Fig. 1 angedeutet ist. Vorzugsweise kann jeder ausgegebene Parameter einem Benutzer dargestellt werden oder auch durch einen Vergleich mit einem Referenzwert zur Bewertung der zu optimierenden Brennkraftmaschine verwendet werden. Schließlich können gewonnene Parameterwerte mittels einer Veränderung der Konfiguration der Brennkraftmaschine zur Optimierung herangezogen werden 1 10, 1 11.
Figur 2 stellt rein beispielhaft Abhängigkeiten der physikalischen Modelle (in der Mitte) von der Vielzahl an physikalischen Größen sowie Abhängigkeiten untereinander in Bezug auf einen Dieselmotor dar. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel geht vorzugsweise der Polytropenexponent aus einem empirischen Modell in den thermodyna- mischen Zustand im Zylinder als physikalisches Modell ein. Als zweiter anhand eines empirischen Modells berechneter Parameter geht des Weiteren der Zündverzug in das physikalische Modell für den Brennbeginn ein. Figur 3 zeigt beispielhaft Abhängigkeiten der empirischen Modelle (in der Mitte) von physikalischen Modellen links und physikalischen Größen rechts bei einem Dieselmotor. Neben den anhand von physikalischen Modellen berechneten Parametern geht vorzugsweise auch jeweils eine geringe Anzahl von physikalischen Größen direkt in die empirischen Modelle ein.
Vorzugsweise geht die Kolbenbewegung als Eingangsparameter in die Berechnung des Zündverzugs und der Reibleistung ein. Der Kraftstoffmassenstrom geht vorzugsweise als Eingangsparameter in die Berechnung des Zylinderspitzendrucks ein. Die massenbezo- gene Wärmemenge geht vorzugsweise als Eingangsparameter in die Berechnung des Polytropenexponenten ein. Der Tropfendurchmesser geht vorzugsweise als Eingangsparameter in die Berechnung des Zündverzugs und der Austrittsgeschwindigkeit an der Düse ein. Die Austrittsgeschwindigkeit an der Düse geht vorzugsweise als Eingangsparameter in die Berechnung des Verbrennungsschwerpunkts ein. Der thermodynamische Zustand im Zylinder bei Einspritzbeginn geht vorzugweise als Eingangsparameter in die Berechnung der Verlustleistung über die Zylinderwände, des Zündverzugs, des Zylinderspitzendrucks und der Stickoxidemission ein. Die Gaszusammensetzung geht vorzugweise als Eingangsparameter in die Berechnung der der Stickoxidemission ein. In die Berechnung des Polytropenexponenten geht als weiterer Eingangsparameter vorzugs- weise der Kompressions-Einstellparameter ein. In die Berechnung des Zündverzugs geht als weiterer Eingangsparameter vorzugsweise der Zündverzugs-Einstellparameter ein. In die Berechnung des Verbrennungsschwerpunkts geht als weiterer Eingangsparameter vorzugsweise der Verbrennungsgeschwindigkeits-Einstellparameter ein. In die Berechnung der Reibleistung geht als weiterer Eingangsparameter vorzugsweise der Motorreibungs-Einstellparameter ein.
Figur 4 zeigt die kaskadenartige Abhängigkeit der einzelnen empirischen Untermodelle zueinander in Bezug auf einen Dieselmotor. Aus der Fig. 4 lässt sich entnehmen, dass ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches sich als besonders geeig- net zur Optimierung eines Dieselmotors erwiesen hat, eine fünfstufige Optimierungskaskade aufweist. Der Brennbeginn ist an sich kein empirisches Modell im eigentlichen Sinne, zeigt jedoch, dass der Zündverzug mittelbar auf vier weitere Untermodelle Ein- fluss hat. Auch der thermodynamische Zustand im Zylinder wird nicht auf der Grundlage eines empirischen Modells berechnet, zeigt jedoch ebenfalls den mittelbaren Einfluss des Polytropenexponenten auf vier weitere Untermodelle.
Der Polytropenexponent geht über den thermodynamischen Zustand als Eingangspara- meter vorzugsweise in die Berechnung des Zündverzugs und des Zylinderspitzendrucks ein. Der Zündverzug geht vorzugsweise in die Berechnung des Verbrennungsschwerpunkts und über den Brennbeginn als Eingangsparameter in die Berechnung der Verlustleistung über die Zylinderwände, des indizierten Mitteldrucks, des Zylinderspitzendrucks und der Stickoxidemission ein. Die Verlustleistung über die Zylinderwände geht als Ein- gangsparameter vorzugsweise in die Berechnung des indizierten Mitteldrucks ein. Der Verbrennungsschwerpunkt geht als Eingangsparameter vorzugsweise in die Berechnung des Zylinderspitzendrucks und der Stickoxidemission ein. Der Zylinderspitzendruck geht als Eingangsparameter vorzugsweise in die Berechnung der Reibleistung ein. Figur 5 zeigt beispielhaft eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kaskadierung von empirischen Modellen, welche sich als besonders vorteilhaft für die Optimierung eines Ottomotors erwiesen hat. Hier weist die Kaskadierung vorzugsweise sechs Ebenen auf. Der Polytropenexponent geht als Eingangsparameter vorzugsweise in die Berechnung des Zündverzugs und der Verlustleistung über die Zylinderwände ein. Der Zündverzug geht vorzugsweise in die Berechnung des Verbrennungsschwerpunkts, der Verlustleistung über die Zylinderwände, der Kohlenmonoxidemission, des indizierten Mitteldrucks und der Kohlenwasserstoffemission ein. Der Restgasgehalt geht als Eingangsparameter vorzugsweise in die Berechnung der Verlustleistung über die Zylinderwände, des Zündverzugs, des Verbrennungsschwerpunkts, der Stickoxidemission, der Kohlenmonoxidemission und der Kohlenwasserstoffemission ein. Der Zylinderdruck bei IVC geht als Eingangsparameter vorzugsweise in die Berechnung der Frischluftmasse im Zylinder und des Zündverzugs ein. Der Verbrennungsschwerpunkt geht vorzugsweise in die Berech- nung der Verlustleistung über die Zylinderwände bei niedriger und hoher Last, des indizierten Mitteldrucks bei niedriger und bei hoher Last, der Kohlenwasserstoffemission, der Kohlenmonoxidemission und der Stickoxidemission ein. Die Verlustleistung über die Zylinderwände bei hoher Last geht als Eingangsparameter vorzugsweise in die Berech- nung des indizierten Mittel drucks bei hoher Last ein. Der indizierte Mitteldruck bei niedriger Last geht als Eingangsparameter vorzugsweise in die Berechnung der Kohlenwasserstoffemission und der Reibleistung ein. Der indizierte Mitteldruck bei hoher Last geht als Eingangsparameter vorzugsweise in die Berechnung der Kohlenwasserstoffemission und der Reibleistung ein.
Ausführunqsbeispiel Optimierung eines Dieselmotors
Eingangsparameter in Verfahren
Wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Optimierung eines Dieselmotors verwendet, können die als (erste) Eingangsparameter verwendeten physikalischen Größen vorzugsweise in fünf Kategorien eingeteilt werden. Dies sind geometrische Daten in Bezug auf die Brennkraftmaschine, Betriebspunkt-relevante Daten, um den jeweiligen Betriebs- punkt der Brennkraftmaschine zu definieren, Luftpfad-relevante Daten, d.h. Daten, die die Luftführung und auch den Zustand der Umgebungsluft charakterisieren. Eine weitere Kategorie sind vorzugsweise Kraftstoff System -relevante Daten, die insbesondere die Einspritzung definieren und verbrennungsrelevante Daten, welche die Steuerung der Verbrennung bei der betroffenen Brennkraftmaschine definieren.
Physikalische Modelle
Bei der Optimierung eines Dieselmotors lassen sich die verwendeten physikalischen Zusammenhänge vorzugsweise im Wesentlichen in neun physikalische Modelle einteilen, welche den Kraftstoffmassenstrom, die Gaszusammensetzung im Zylinder, die massenbezogene Wärmemenge, die Kolbenbewegung, den thermodynamischen Zustand im Zylinder, die Austrittsgeschwindigkeit aus einer Düse, den Tropfendurchmesser, den Brennbeginn sowie die Abgastemperatur angeben. Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele zur Berechnung einiger dieser physikalischen Modelle wenigstens in den Grundzügen angegeben. Gaszusammensetzunq im Zylinder
Die Kenntnis der richtigen Gaszusammensetzung im Zylinder, insbesondere der Sauerstoffkonzentration, ist beispielsweise für die Berechnung der Stickoxidemission der La- dung eine wichtige Einflussgröße.
Um auch den Einfluss der Luftfeuchtigkeit näherungsweise in den Modellen zu berücksichtigen, wird die Sauerstoffkonzentration vorzugsweise nicht nur als Funktion der AGR-Rate und des Luftüberschusses angegeben, sondern auch über die Luftfeuchtig- keit.
Die Sauerstoffkonzentration wird vorzugsweise als Funktion von Lambda, AGR-Rate und Luftfeuchtigkeit wie folgt berechnet und wird im Weiteren als Eingangsgröße für verschiedene Modelle verwendet:
X02 = f( , AGR,x)
Hierbei sind:
X. Ol
Volumen-Anteil an Sauerstoff
4-] Luftüberschuss
AGR[%] AGR-Rate
4-] Luftfeuchtigkeit
Massenbezoqene Wärmemenge
Die massenbezogene Wärmemenge bezeichnet insbesondere die auf die gesamte Zy- lindermasse bezogene chemisch gebundene Energie des verwendeten Kraftstoffs. Dieser Parameter wird im Zuge der empirischen Modellbildung für den Polytropenexponen- ten näherungsweise als Ersatzkenngröße für das während der Verbrennung des vorangegangenen Zyklus herrschende Temperaturniveau verwendet. Je größer die Ladungsmasse bei gleicher Kraftstoffmenge ist, desto geringer ist dabei das Temperaturniveau. Die massenbezogene Wärmemenge wird nach folgender Gleichung berechnet: KS
q Gleichung (I) m g„es
Hierbei sind:
Kraftstoffmassenstrom gesamter Zylindermassestrom inkl. Restgas unterer Heizwert
Figure imgf000041_0001
massenbezogene freigesetzte Wärmemenge
Kolbenbewequnq Das physikalische Modell der Kolbenbewegung besteht im Wesentlichen aus drei Untermodellen, welche die mittlere Kolbengeschwindigkeit, die Kolbengeschwindigkeit bei Einspritzbeginn sowie das Verdichtungsverhältnis im Zylindervolumen bei Einspritzbeginn angeben. Die mittlere Kolbengeschwindigkeit ist vorzugsweise eine Eingangsgröße für das Modell zur Berechnung von Motorreibung und wird wie folgt berechnet:
_ n - s
Vm ~ 30000
Hierbei sind:
n[l/min] Drehzahl
s[mm] Hub
Figure imgf000041_0002
mittlere Kolbengeschwindigkeit Die Kolbengeschwindigkeit ist ebenfalls Eingangsparameter in wenigstens ein empirisches Modell. Sie wird nach folgender Formel berechnet:
VkEB = 2 - n * n * r - sm<p EB •sin2<p EB
2 - 1
Hierbei sind:
rM Kurbelradius
Pleuellänge
m
VkEB
s Kolbengeschwindigkeit bei Einspritzbeginn
ΨΕΒ Kurbelwinkel bei Einspritzbeginn Thermodvnamischer Zustand im Zylinder
Das effektive Verdichtungsverhältnis, das insbesondere zur Bestimmung des thermody- namischen Zustands im Zylinder nötig ist, wird nach folgenden Formeln berechnet:
K
oder V v-
(e - 1)
Hierbei sind:
Hubvolumen eines Zylinders
vcW\ Verdichtungsvolumen eines Zylinders
ΑΛ Verdichtungsverhältnis Ist das Kompressionsvolumen bekannt, können Zylindervolumen und effektives Verdichtungsverhältnis bei Beginn der Haupteinspritzung berechnet werden. Das Zylindervolu- men ist nötig, um die Temperatur unter der Annahme eines idealen Gases mittels der idealen Gasgleichung bei Einspritzbeginn zu berechnen:
Figure imgf000043_0001
kEB [m] Kolbenweg bei Einspritzbeginn d2 · π
hEB kEB
Hierbei sind:
Hubvolumen bei Einspritzbeginn
Bohrung
Figure imgf000043_0002
vTotalEBW\ Zylindervolumen bei Einspritzbeginn
Hieraus ergibt sich für das effektive Verdichtungsverhältnis bei Einspritzbeginn wie folgt:
•EB vhEB + vc
SEB [-] Effektives Verdichtungsverhältnis bei Einspritzbeginn
Der thermodynamische Zustand im Zylinder, im Folgenden dargestellt bei Einspritzbeginn, wird durch Druck und Temperatur definiert. Bei bekanntem Volumen bei Einspritzbeginn kann die Masse im Zylinder durch die gemessene Luftmasse sowie der gemessenen AGR-Rate unter der Annahme eines idealen Lastwechsels ohne Spülen und mit konstantem Restgasgehalt berechnet werden. Durch Umformung der Gasgleichung und durch Annahme eines idealen Gases erhält man den formalen Zusammenhang für die Temperatur bei Einspritzbeginn wie folgt:
Pzyl_ EB TotalEB
' Zyl EB
m *R
Hierbei sind:
Pzyl_EB Druck bei Einspritzbeginn
l Zyl _EB Temperatur bei Einspritzbeginn gesamte Masse im Zylinder
Figure imgf000044_0001
ideale Gaskonstante Um die Auswirkung unterschiedlicher Durchflussraten der Einspritzdüse in unterschiedlicher Spritzlochanzahl auf die einzelnen Brennkraftmaschinen richtig wiederzugeben, werden spezifische Größen verwendet. Die Charakteristik des Einspritzstrahls wird durch die Austrittsgeschwindigkeit des Kraftstoffs aus der Düse sowie den Tropfendurchmesser beschrieben. Diese werden vorzugsweise in Abhängigkeit vom Druck im Zylinder, vom Einspritzdruck und vom Lochdurchmesser laut nachfolgenden Formeln berechnet. Die Austrittsgeschwindigkeit des Kraftstoffs aus der Düse wird dabei näherungsweise verlustfrei nach Bernoulli für eine inkompressible stationäre Strömung berechnet:
Figure imgf000044_0002
Hierbei sind:
Pzyl_EB Zylinderdruck bei Einspritzbeginn
Ρκα Kraftstoffeinspritzdruck
kg
P KS
m3 Kraftstoffdichte
Figure imgf000044_0003
Austrittsgeschwindigkeit Tropfendurchmesser
Für die Berechnung des Tropfendurchmessers wird der Düsenlochdurchmesser benötigt, welcher anhand der effektiven Düsenlochfläche ermittelt wird. Der Wert für einen typischen Durchflussbeiwert für die Düsenlöcher wird vorzugsweise mittels einer Annahme bestimmt, wobei die Düsenlochfläche und der Düsenlochdurchmesser sich vorzugsweise wie folgt berechnen lassen.
Figure imgf000045_0001
Hierbei sind:
A e Düsenlochfläche
Figure imgf000045_0002
Düsendurchfluss laut Hersteller Anzahl der Düsenlöcher
Daraus folgt
Ar,, =
Figure imgf000045_0003
Hierbei sind:
W\ effektiver Strömungsquerschnitt bzw. Düsenlochdurchmesser a Durchflussbeiwert
Daraus folgt:
Figure imgf000045_0004
dDL [m] Düsenlochdurchmesser
Der Tropfendurchmesser wird schließlich wie folgt berechnet:
Figure imgf000046_0001
Tropfendurchmesser
Düsenlochdurchmesser
Figure imgf000046_0002
Kraftstoffdichte
kg
' KS
Oberflächenspannung des Kraftstoffs
kinematische Viskosität des Kraftstoffs
Ladungsdichte bei Einspritzbeginn Zylinderdruck bei Einspritzbeginn
Figure imgf000046_0003
Kraftstoffeinspritzdruck
dT [m] mittlerer Tropfendurchmesser
Empirische Modelle:
Bei der Optimierung eines Dieselmotors mit dem erfindungsgemäßen Verfahren enthält eine Kaskade aus empirischen Untermodellen des Abschnitts C aus Fig. 1 vorzugswei- se elf verschiedene empirische Modelle und fünf Kaskadenstufen, wie in Fig. 4 dargestellt. Wird die Reibleistung, welche nicht zum originären Verbrennungsvorgang gehört, ausgeklammert, so kann ein Verbrennungsvorgang im Wesentlichen vollständig durch sechs empirische Untermodelle in lediglich vier Kaskadenstufen abgebildet werden. Im Folgenden wird für einige dieser empirischen Modelle erläutert, welche Eingangsparameter in diese eingehen. Die Eingangsparameter können hierbei im Wesentlichen in drei Gruppen eingeteilt werden. Physikalische Größen, welche unmittelbar in die empirischen Modelle eingehen, Parameter, welche anhand von physikalischen Modellen berechnet werden, Parameter, welche anhand von anderen empirischen Modellen berech- net werden und gegebenenfalls maschinenspezifische Einstellparameter. Diese werden vorzugsweise eingeführt, da eine Korrektur der Modellausgänge, die lediglich über Faktoren oder Konstanten erfolgt, in vielen Fällen nicht zweckmäßig ist. Den Einstellparametern liegen vorzugsweise physikalisch basierte Effekte zugrunde, die aber aufgrund ihrer Komplexität schwer zu berücksichtigen sind. Ein Beispiel hierfür ist die Interaktion zwischen Einspritzstrahl und Kolbenmulde während der Verbrennung.
Eine beispielhafte Erstellung von physikalischen Modellen wird im Folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 6 erläutert.
Bei der Erstellung der empirischen Modelle wird zunächst versucht, möglichst viele Eingangsparameter durch physikalische Modelle zu berechnen, um die Anzahl an Eingängen in die empirischen Modelle gering zu halten. Dies erhöht die Allgemeingültigkeit des Verfahrens zur Optimierung, da die auf Versuchen mit anderen Brennkraftmaschinen basierenden empirischen Untermodelle möglichst begrenzt gehalten werden können. Weiterhin werden alle Eingangsparameter in die empirischen Modelle vorzugsweise so gewählt, dass alle zu untersuchenden Brennkraftmaschinen mit ein und demselben Parameter abgebildet werden können. In einem ersten Schritt werden Messdaten von einem Satz verschiedener bereits kalibrierter Motoren, vorzugsweise mit demselben Brennverfahren (unterschiedliche Sätze für Dieselmotoren und Ottomotoren) und ähnlicher Motorgeometrie, bei Prüfstandsversu- chen aufgezeichnet. Ein Satz von Dieselmotoren kann beispielsweise neun verschiedene Motoren mit einer Hubraumspreizung von 0,51/Zylinder bis 2,51/Zylinder umfassen. Eine zur Erstellung der empirischen Modelle geeignete Anzahl an Messpunkten liegt bei etwa. 10.000 Messpunkten, wobei jeder Messpunkt, welcher vorzugsweise durch Drehzahl und Drehmoment definiert wird, eine Vielzahl von zu messenden Messgrößen aufweist.
In einem zweiten Schritt werden die zur Optimierung benötigten Modellausgänge definiert, welche nicht schon durch physikalische Modelle berechnet werden können, beispielsweise Stickoxid-Emissionen, Leistung, Abgastemperatur, etc. Für jede dieser Modellausgänge werden empirische Modelle , vorzugsweise mittels Regressionsanalysen, erstellt, z.B. auf der Basis von polynomischen Modellansätzen. Dabei werden vorzugsweise Polynommodelle 2. Ordnung verwendet. Die Koeffizienten die- ser Regressionsmodelle werden vorzugsweise durch Bestimmung der kleinsten Fehlerquadrate gebildet. Die Modelle haben im Wesentlichen folgende Struktur:
2 2
y— x1 · ul trans + x2 · u2 trans +... + x1 2 · ul trans · u2 trans + ... + c
Dabei werden die Modelleingänge nach folgender Gleichung transformiert (Student Transformation).
Vari - Vari
i,trans
Hierbei sind:
U i-,t 1rans transformierter Modelleingang Var' Modelleingang
Mittelwert aller Messwerte dieses Modelleingangs
°Var Standardabweichung der Messwerte dieses Modelleingangs
Durch die Transformation der Modelleingänge haben alle Modellkoeffizienten die gleiche Größenordnung - daher gibt der Betrag der Koeffizienten Auskunft über den Einfluss auf den Modellausgang. Je größer der Koeffizient desto größer ist der Einfluss. Dies kann vorzugsweise genutzt werden, um die wichtigen Modelleingänge zu bestimmen.
Die Koeffizienten x-i , x2, Xi,2 werden so bestimmt, dass alle Motoren des betrachteten Satzes mit den gleichen Koeffizienten modelliert werden können.
Um das Verhalten verschiedener Motoren mit den gleichen Koeffizienten x-i , x2, Xi,2 berechnen zu können, werden die Modelleingänge u-i , u2 vergleichbar gemacht. Insbeson- dere werden die Modelleingänge hierfür durch eine physikalische Umrechnung in motorunabhängige Größen normiert. Als Normierungsfaktor kommt beispielsweise die jeweilige Hubraumgröße der einzelnen Motoren in Frage. Nachfolgend wird ein vorzugsweise empirisches Modell zur Berechnung der volumsspezifischen indizierten Hochdruckleistung dargestellt. Zuerst werden die Modelleingänge transformiert und in weiterer Folge die volumenspezifische Hochdruckleistung berechnet. Die Variablen A bis K stellen die transformierten Modellkoeffizienten dar. vol. spez. Kraftstoffleistung_trans = (vol. spez. Kraftstoffleistung-47.6)/24.3 Brennbeginn HE_trans = (Brennbeginn HE-(-1.6))/5.1
Durchbrenndauer_trans = (Durchbrenndauer-17.7)/5.0
vol. spez. Wandwärmestrom_trans = (vol. spez. Wandwärmestrom-8.1 )/4.1 Vol. spez. indizierte Hochdruckleistung = vol. spez. Kraftstoffleistung_trans Λ2*Α+ Brennbeginn HE_trans Λ2*Β+ Durchbrenndauer_trans A2*C+ vol. spez. Kraftstoffleis- tung_trans * Brennbeginn HE_trans *D+ vol. spez. Kraftstoffleistung_trans * vol. spez. Wandwärmestrom_trans*E+ Brennbeginn HE_trans * Durchbrenndauer_trans *F+ Brennbeginn HE_trans * vol. spez. Wandwärmestrom_trans *G+ Durchbrenndauer_trans * vol. spez. Wandwärmestrom_trans *H+ vol. spez. Kraftstoffleistung_trans *l+ Brennbeginn HE_trans *J+ Durchbrenndauer_trans *K+ vol. spez. Wandwärmestrom_trans *L+const
Die Modellqualität der gefundenen empirischen Modelle wird in einem weiteren Schritt vorzugsweise statistisch bewertet, insbesondere indem das Bestimmtheitsmaß berechnet wird. Ergibt sich eine ausreichende Modellqualität, wird noch einmal die Plausibilitat der Modelle überprüft, wie weiter unten erläutert.
Ergibt sich keine ausreichende Modellqualität, wird überprüft, ob die Modellqualität durch die Einführung eines motorspezifischen Einstellparameters EP als weiteren Modelleingang auf ein zufriedenstellendes Niveau verbessert werden kann. Ist dies der Fall, so wird dem empirischen Modell ein Einstellparameter EP hinzugefügt.
Kann die Modellqualität bzw. das Bestimmtheitsmaß durch einen motorspezifischen Einstellparameter EP nicht signifikant erhöht werden, muss die Auswahl der Modelleingänge und/oder die mathematische Formulierung des Modellansatzes überprüft werden. Hierbei werden vorzugsweise zusätzliche und/oder andere Modelleingänge für die empirische Modellbildung verwendet.
Durch die Definition eines Einstellparameters EP als zusätzlichen Modelleingang können einige der verwendeten empirischen Modelle motorspezifisch angepasst werden. Mittels der Einstellparameter EP können dabei motorspezifische Eigenheiten berücksichtigt werden. Diese Eigenheiten ergeben sich beispielsweise durch physikalische Effekte, z.B. die motorspezifische Interaktion zwischen Einspritzstrahl und Kolbenmulde oder auch das Einspritzstrahlverhalten in Abhängigkeit der Düsenlochgeometrie.
Empirischen Polynommodelle weisen dann beispielsweise folgende Form auf:
Υ = xl ' ul,trans Ί" x2 ' u2,trans Ί" xl,2 ' ul,trans ' u2,trans + " " + ^3 1 EP + C (II) Das Verwenden der Einstellparameter als zusätzlichen Modelleingang in die Polynome hat den großen Vorteil, dass Interaktionen von Einstellparameter und Modelleingangsparameter erfolgen können, und die Einstellparameter daher keine reinen Offsets oder Faktoren sind. Sie ermöglichen für das erfindungsgemäße Optimierungsverfahren eine einfache Abstimmung der Modelle auf neue Motoren.
Durch die geringe mathematische Komplexität dieser Modelle können insbesondere schnelle Rechenzeiten realisiert werden.
Bei einer nachfolgenden Plausibilitätsbewertung der gefundenen empirischen Modelle werden insbesondere die Modellabhängigkeiten von den einzelnen Parametern untersucht, hierbei müssen die Wirkrichtungen vorzugsweise im Einklang mit bekannten Phänomenen aus der Literatur bzw. im Einklang mit der Erfahrung aus bereits durchgeführten Optimierungen sein. Ergibt die Plausibilitätsbewertung, dass sich der Modellausgang bei Vanation eines oder mehrerer Modelleingänge nicht, wie aus der Literatur bekannt bzw. im Einklang mit der Erfahrung ändert, werden auch hier vorzugsweise die Eingänge oder die Formulierungen der empirischen Modelle selbst verändert. Wird abschließend eine zufriedenstellende Modellqualität erreicht, wird untersucht, ob die verwendeten Modelleingänge direkt aus bekannten Parametern bestimmt werden können oder ob zur Bestimmung der Modelleingänge ein weiteres vorgelagertes Untermodell verwendet werden muss. Dieses kann physikalisch oder generisch empirisch sein.
Die Erstellung eines erfindungsgemäßen generischen semi-physikalischen Verbrennungsmodells ist dann abgeschlossen, wenn das Verbrennungsmodell nur noch Modelleingänge aufweist, deren Werte bekannt oder vorgegeben sind, beispielsweis Parameter, welche durch die Konstruktion der Brennkraftmaschine bedingt sind oder von de- ren Steuerung vorgegeben werden. Damit ist die Erstellung abgeschlossen.
Parametrierunq des Verbrennungsmodells für den zu optimierende Motor
Als Ausgangswert für die Einstellparameter bei einem zu optimierenden Motor wird vor- zugsweise das arithmetische Mittel der bei der Modellerstellung für die einzelnen Motoren 1 , 2, 3 verwendeten Einstellparameter verwendet.
Für die weitere Anpassung der Einstellparameter auf die zu optimierende Maschine wird mindestens ein Messpunkt, bestehend aus verschiedenen Messgrößen, benötigt. Dabei wird für jedes empirische Modell, welches einen Einstellparameter als Modelleingang aufweist, ein Vergleich zwischen berechneten und gemessenen Wert durchgeführt und der Einstallparameter so adaptiert, dass die Abweichung zwischen Messung und Rechnung minimal ist. Eine neuerliche Bestimmung der Koeffizienten x-i, x2, x-1 ,2 ist dagegen nicht notwendig.
Im Folgenden werden für das dargestellte Ausführungsbeispiel eines Optimierungsverfahrens für einen Dieselmotor neun verschiedene empirische Modelle mit ihren Eingangsparametern beschrieben, welche sich als besonders geeignet zur Beschreibung des Verbrennungsvorgangs in Dieselmotoren erwiesen haben, nämlich empirische Modelle für den Polytropenexponent, den Zündverzug, den Verbrennungsschwerpunkt, die Verlustleistung über die Zylinderwände bzw. Wandwärmestrom, den induzierten Mitteldruck der Hochdruckschleife, die Reibleistung, den Zylinderspitzendruck, die Stickoxi- demissionen und die Rußemissionen.
Polytropenexponent
Der thermodynamische Zustand im Zylinder bei Einspritzbeginn und damit der Polytro- penexponent hat Einfluss auf Zündverzug, das Temperaturniveau und den Spitzendruck der Verbrennung. Die Berechnung von Temperatur und Druck bei Einspritzbeginn ist daher unerlässlich. Diese hängen entscheidend von Wärmeübergang während der Kompression, Verdichtungsverhältnis sowie Druck und Temperatur bei Verdichtungsbeginn und daher vom Zustand im Einlasssammler ab. Die Ermittlung der genauen Temperatur beim Schließen des Einlassventils ist nur schwer realisierbar, da bereits kleine Abweichungen im gemessenen Zylinderdruck einen großen Fehler der Temperatur bedeuten. Die Indizierung ist jedoch für die Messung von hohen Zylinderdrücken kalibriert, was die Messgüte bei niedrigen verschlechtert. Der Druck bei Einspritzbeginn wird daher direkt vom Druck im Einlasssammler und nicht über den Druck bei Einlassventilschluss be- rechnet. Die Effekte beim Einströmen durch die Ventile werden, wie bereits erwähnt, durch den Kompressionseinstellparameter mit berücksichtigt.
Aufgrund der Rechenzeitanforderungen sind Kurbelwellenwinkel-aufgelöste Ansätze zur Berechnung der Wandwärmeverluste in den Kanälen und während der Kompression nicht anwendbar. Die Kompression eines Verbrennungsmotors ist eine polytrope Zu- standsänderung, aus diesem Grund wird für die Berechnung des Druckes bei Einspritzbeginn ein empirisches Modell für den Polytropenexponenten der Polytropenbeziehung erstellt. Ein größerer Polytropenexponent führt zu einem höheren Druck am Ende der Kompression.
Für eine möglichst physikalische Abbildung ist die Annahme eines konstanten Polytropenexponenten nicht geeignet, da die Temperatur damit 10°KW vor dem oberen Totpunkt und 10°KW nach dem oberen Totpunkt gleich wäre. In Wirklichkeit werden sowohl Temperatur als auch Druck nach dem oberen Totpunkt durch die höheren Wandwärmeverluste geringer sein, was durch die Modellierung berücksichtigt wird.
Die Auswahl der Eingangsparameter für ein bevorzugtes empirisches Modell für den Po- lytropenexponenten erfolgt vorzugsweise wie folgt. Der Wärmeübergang während der Kompression beeinflusst den Ladungszustand bei Einspritzbeginn und daher den Polytropenexponenten. Der Wärmestrom kann mit folgendem Zusammenhang beschrieben werden:
Q = a *A*AT
Hierbei sind:
Wärmestrom
W
α
m2 - K Wärmeübergangskoeffizient
A[m2] Oberfläche
AT[K] Temperaturdifferenz
At[s] Zeitschritt
Daraus ist ersichtlich, dass der Wärmestrom bei Δί— > 0 ebenfalls gegen Null geht. Daher muss bei steigender Drehzahl der Wärmeübergang geringer und somit der Polytro- penexponent größer werden. Bei konstanter Drehzahl hat der Einspritzzeitpunkt wie be- reits erwähnt ebenfalls Einfluss auf die Zeit ^ , die für den Wärmeübergang zur Verfügung steht. Aus diesem Grund steigt der Polytropenexponent auch bei sehr frühen Einspritzbeginnen an. Aus diesen Überlegungen ergeben sich die beiden ersten vorzugsweisen Parameter für das Modell für den Polytropenexponenten, nämlich Drehzahl und Einspritzbeginn.
Weiterhin ergeben sich durch die Kompression höhere Gastemperaturen als die Oberflächentemperaturen der Brennraumwände. Aus diesem Grund steigt durch eine höhere Einlasssammlertemperatur und der daraus resultierenden größeren Temperaturdifferenz der Wandwärmeverlust an, was eine Verringerung des Polytropenexponenten zur Folge hat. Daher wird vorzugsweise auch die Einlasssammlertemperatur als Eingangsgröße definiert.
Das Oberflächentemperaturniveau wird zum einen vorzugsweise durch die massenbe- zogene freigesetzte Wärmemenge, die nach Gleichung (I) berechnet wird, als weitere Eingangsgröße berücksichtigt. Zum anderen wird diese durch einen Polytropenexponen- ten-Einstellparameter berücksichtigt, welcher in das empirische Modell eingeführt wird.
Dieser Einstellparameter ist direkt in das empirische Modell für den Polytropenexponen- ten integriert und bildet unterschiedliche Wand Wärmeverluste bei der Kompression sowie Strömungsverluste in den Kanälen und/oder Blow-by-Effekte ab. Der thermodynamische Zustand bei Einspritzbeginn wird weiterhin nicht mit dem effektiven Verdichtungsverhältnis ab Einlassschluss, sondern mit der Verdichtung ausgehend vom unteren Totpunkt berechnet. Dieser Fehler wird ebenfalls mit dem Polytropenexponent-Einstellparameter kompensiert.
Zündverzuq
Der Zündverzug beeinflusst durch die Zeit, die für eine Gemischaufbereitung zur Verfü- gung steht, den Verbrennungsablauf. Der Anteil der vorgemischten Verbrennung sowie die Brenndauer bis zum Schwerpunkt der Verbrennung hängen daher entscheidend vom Zündverzug ab. Während der Zündverzug bei hoher Last kurz und einigermaßen leicht abzuschätzen ist, wird dies im Teillastbereich schwieriger. Für eine Abschätzung von Zündaussetzern, die mit einem Mittelwert-Modell nicht direkt berechnet werden können, ist der berechnete Zündverzug ebenfalls von Bedeutung. Überschreitet der berechnete Zündverzug eine Grenze von ca. 3 Millisekunden, so kann davon ausgegangen werden, dass die eingebrachte Kraftstoff menge nicht mehr vollständig verbrannt wird.
Der Zündverzug wird vorzugsweise als Zeitdifferenz zwischen Einspritzbeginn und Ver- brennungsbeginn definiert. Das hier erstellte Zündverzugsmodell gibt diesen in Grad Kurbelwinkel aus. Um die Korrelation mit der Zeitdifferenz herzustellen sowie als Maß für die Turbulenz bei Einspritzbeginn im Brennraum ist Drehzahl vorzugweise ein Eingangsparameter in ein empirisches Modell für den Zündverzug. Ein wichtiger Einflussparameter auf den Zündverzug ist die während des Einspritzens des Kraftstoffs herrschende Gastemperatur im Zylinder. Je höher diese ist, desto schneller verdampft der Kraftstoff und die Selbstzündung kann erfolgen. Daher ist die Gastem- peratur im Zylinder vorzugsweise ebenfalls ein Eingangsparameter.
Die Qualität der Gemischaufbereitung, und damit die Tropfengröße, hat ebenfalls Ein- fluss auf den Zündverzug. Kleinere Tropfendurchmesser erhöhen das Verhältnis von Oberflächen zu Volumen, was die Verdampfung des Kraftstoffes und somit die Selbst- zündung beschleunigt. Daher ist auch der Tropfendurchmesser vorzugsweise ein Eingangsparameter.
Die durch die Abgasrückführung geringere Sauerstoffkonzentration im Zylinder verzögert den Verbrennungsbeginn. In der Realität kann aber bei einer Erhöhung der AGR-Rate eine Verkürzung des Zündverzugs beobachtet werden. Dies ist dadurch begründet, dass höhere Abgasrückführraten meist mit einer Erhöhung des Temperaturniveaus verbunden sind, deren Einfluss gegebenenfalls größer ist als der der geringere Sauerstoffkonzentra- tion. Daher ist auch die Sauerstoffkonzentration vorzugsweise ein Eingangsparameter. Ein weiterer Einflussfaktor ist die zeitliche Veränderung des Zustandes im Zylinder bei Beginnen der Kraftstoffeinspritzung. Während bei einer Einspritzung vor dem oberen Totpunkt die Zündbedingungen bis zum oberen Totpunkt immer besser werden, verschlechtern sich die Zündbedingungen bei Einspritzung nach dem oberen Totpunkt mit fortschreitendem Kurbelwinkel. Je höher die Drehzahl, desto schneller ändert sich der Zustand. Bei einer Kurbelwellenwinkel-aufgelösten Berechnung des Zündverzugs wird dies durch Integrieren der einzelnen Zeitschritte berücksichtigt. Als Ersatzgröße dafür wird erfindungsgemäß vorzugsweise die Kolbengeschwindigkeit bei Beginn der Einspritzung als Eingangsparameter verwendet. Der Strahlaufbruch ist neben dem im Zylinder herrschenden Zustand auch von der Lochgeometrie der Einspritzdüse abhängig. Eine detaillierte Berechnung der Strahlaufbereitung ist ohne Mehrzonenmodell nicht möglich und diese wiederum aus Rechenzeitgründen für die Anwendung gemäß dem Ausführungsbeispiel nicht zweckmäßig. Daher wird der Einfluss vom Strahlaufbruch beim Verlassen der Einspritzdüse durch den Einstellparameter für den Zündverzug eingestellt. Auch Kraftstoffeigenschaften wie Cetan- Zahl oder das Siedeverhalten können genauso wie Unterschiede in den Flanken des Einspritzverlaufes vorzugsweise über den Zündverzug-Einstellparameter berücksichtigt werden.
Verbrennunqsschwerpunkt
Der Verbrennungsschwerpunkt ist in der Entwicklung von Verbrennungsmotoren eine häufig verwendete Kenngröße, um die Verbrennung zu charakterisieren. Um die Verwendbarkeit des Verbrennungsmodells in der Praxis zu gewährleisten, sollte der Verbrennungsschwerpunkt vorzugsweise bestimmt werden. Des Weiteren ist dieser ein Zwischenergebnis, auf dem andere Teile des Verbrennungsmodells vorzugsweise aufbauen.
Die erste Phase der Verbrennung bleibt vom Ladedruck im Allgemeinen nahezu unbe- einflusst. Dies beinhaltet, dass das Luftverhältnis λ nur einen geringen Einfluss auf die Lage des Verbrennungsschwerpunktes hat. Dies trifft jedoch nicht für die gesamte Dauer der Verbrennung zu, auf diese hat das Luftverhältnis sehr wohl Einfluss. Ein höheres Luftverhältnis hat eine kürzere Dauer der gesamten Verbrennung zur Folge. Dem Verlauf der Verbrennung folgend wird vorzugsweise nicht der Verbrennungsschwerpunkt direkt berechnet sondern die Verbrennungsdauer vom Brennbeginn bis zum Verbrennungsschwerpunkt. Diese wird hier analog zum Zündverzug in Grad Kurbelwinkel berechnet. Die Motordrehzahl ist daher vorzugsweise der erste Eingangsparameter und ist ein Maß für die durch den Ladungswechsel erzeugte Turbulenz.
Einer der größten Einflüsse auf die Dauer der Diffusionsverbrennung hat die Einspritzdauer selbst, da die Diffusionsverbrennungsgeschwindigkeit nicht von der schnellen chemischen Reaktionsgeschwindigkeit sondern von den Gemischaufbereitungsvorgän- gen abhängt - und ist daher vorzugsweise der zweite Eingangsparameter. Während der Einspritzung ist diese eine wichtige Größe, und die Gaszusammensetzung tritt in den Hintergrund. Bei der vorgemischten Verbrennung hängt die Verbrennungsgeschwindigkeit im Gegensatz zur Diffusionsverbrennung nicht von Mischungsvorgängen des Sprays sondern rein von der chemischen Reaktionsgeschwindigkeit ab. Diese wiederum ist eine Funktion des thermodynamischen Zustandes und der Gaszusammensetzung im Zylinder. Vor allem bei der hauptsächlich vorgemischten Verbrennung der Teillast ist die Einspritzdauer weniger bedeutend und die Gaszusammensetzung wichtiger. Der Anteil der vorgemischten Verbrennung und die Durchbrenndauer hängen demnach vom Zündverzug ab, welcher daher vorzugsweise einer der Eingangsparameter ist. Die Gemischaufbereitungsvorgänge werden in hohem Maß von der durch den Strahl eingebrachten Energie und der Tröpfchengröße bestimmt. Aus diesem Grund wird die Austrittsgeschwindigkeit des Kraftstoffs aus der Düse vorzugsweise als weiterer Eingangsparameter verwendet. Eine höhere Austrittsgeschwindigkeit führt bei konstanter Einspritzdauer zu einer schnelleren Verbrennung.
Die AGR-Rate und damit die Sauerstoffkonzentration haben ebenfalls Einfluss auf die Durchbrenndauer. Durch die Abgasrückführung ist die Verfügbarkeit von Sauerstoff geringer und die Verbrennung langsamer. Daher ist auch die Sauerstoffkonzentration vorzugsweise ein Eingangsparameter.
Die Durchbrenndauer hängt neben dem Gaszustand im Zylinder (z.B.: AGR-Rate) auch von der Brennraumgeometrie und der Interaktion des Brennraums mit dem Einspritzstrahl ab. Verschiedene Brennraum - Düsen - Kombinationen unterscheiden sich in ihrer Durchbrenngeschwindigkeit, was Auswirkungen auf Emissionen und Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors hat (bspw. Interaktion des Einspritzstrahls mit der Kolbenmulde). Dieser Einfluss wird genauso wie Unterschiede im Einspritzverlauf oder Strahlkegelwinkel vorzugsweise mit dem Verbrennungsschwerpunkt-Einstellparameter abgebildet, da die Interaktion in einem 0-dimensionalen Modell nicht berechnet werden kann. Der Parameter wird vorzugsweise direkt in das Modell integriert, um die unterschiedlichen Aus- Wirkungen in Abhängigkeit vom Betriebspunkt richtig wiederzugeben.
Das Nacheinspritzen von Kraftstoff hat eine Verschiebung des Verbrennungsschwerpunktes in Richtung spät zur Folge. Die Verschiebung wird durch die Differenz zwischen gemessenem und dem berechneten Verbrennungsschwerpunkt für die Haupteinspritzung ermittelt und wird in weiterer Folge modelliert werden. Eingangsparameter in das Modell für die Verbrennungsschwerpunktverschiebung sind vorzugsweise Brenndauer des ersten Teils der Hauptverbrennung, Drehzahl und spezifische Kraftstoffmenge der Nacheinspritzung.
Wandwärmestrom
Die Berechnung der über die Brennraumwände abgegeben Wärmemenge, d.h. Verlust- leistung über die Zylinderwände bzw. Wandwärmestrom, ist notwendig, um beispielsweise in einem darauffolgenden Modell den indizierten Mitteldruck der Hochdruckschleife berechnen zu können. Der Modellausgang ist vorzugsweise eine spezifische bzw. normierte Wärmemenge in kW pro Liter Hubraum. Dem Grundprinzip der Verbrennungskraftmaschine entsprechend ist die Höhe der abgegebenen Energien wie Leistung, Abgasenthalpie und Wandwärmestrom von der eingebrachten volumenspezifischen Kraftstoffleistung abhängig, dem vorzugsweise ersten Eingangsparameter des empirischen Modells. Das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen ist entscheidend für den Wirkungsgrad einer Verbrennungskraftmaschine verantwortlich. Großmotoren haben deutlich höhere Wirkungsgrade als kleine PKW-Dieselmotoren. Dafür verantwortlich ist unter anderem der geringere Wärmeübergang durch das geringere Verhältnis von Oberflächen zu Volumen bei großvolumigen Motoren. Um die Verbrennung von PKW Motoren mit dem gleichen empirischen Modell berechnen zu können wie die von großen Nutzfahrzeugmotoren, ist daher vorzugsweise das Oberflächen-Volumen-Verhältnis ein weiterer Eingangsparameter.
Der Wandwärmestrom hängt neben Oberfläche und Wärmeübergangskoeffizient von der Temperaturdifferenz zwischen Gas und Brennraumwand ab. Daher ist auch bei diesem Mittelwertverbrennungsmodell das Temperaturniveau von maßgeblicher Bedeutung. Dies ist neben der Lage der Verbrennung auch von der massenbezogenen Wärmemenge abhängig. Die gleiche Kraftstoffmenge bei unterschiedlichen Ladungsmassen im Zy- linder führt zu unterschiedlich hohen Verbrennungstemperaturen. Daraus ergibt sich der Lambdaeinfluss auf den Wandwärmeübergang, welcher folglich vorzugsweise ebenfalls als Eingangsparameter eingeht. Größerer Luftüberschuss führt bei gleichem AGR- und Kraftstoffmassenstrom zu geringeren Wandwärmeverlusten. Aus mathematischen Grün- den empfiehlt es sich, den Kehrwert von Lambda zu verwenden, um Werte gegen unendlich zu vermeiden.
Die Oberfläche des Zylinders zum Zeitpunkt der maximalen mittleren Brennraumtemperatur hat ebenfalls Einfluss auf die Wandwärmeverluste. Diese Temperatur hat kurz nach dem Verbrennungsschwerpunkt ihr Maximum. Da dessen Lage bekannt ist, wird die Oberfläche des Zylinders beim Verbrennungsschwerpunkt (MFB50%) vorzugsweise als Eingangsparameter verwendet, um den Oberflächeneinfluss auf die Wandwärmeverluste zu berechnen. Eine Steigerung der AGR-Rate bei gleichbleibendem Lambda ist mit einer Erhöhung der Ladungsmasse verbunden. Diese Erhöhung und die Änderung der Stoffeigenschaften verändern den Wandwärmestrom. Daher ist auch die AGR-Rate vorzugsweise ein Eingangsparameter. Durch eine frühere Lage der Verbrennung wird die Spitzentemperatur erhöht, was mit einer Erhöhung der Temperaturdifferenz verbunden ist. Auch die Dauer, für die Wärmeabfuhr über die Brennraumwand ist länger, wenn der Einspritzzeitpunkt nach früh geht. Aus diesem Grund hat ein früherer Einspritzbeginn eine Erhöhung der Wandwärmeverluste zur Folge. Daher ist auch der Brennbeginn vorzugsweise ein Eingangsparameter.
Eine Erhöhung der Temperatur bei Einspritzbeginn ist bei sonst gleichen Randbedingungen mit einer Erhöhung des Temperaturniveaus während der Verbrennung verbunden, was wiederum zu größeren Wandwärmeverlusten führt. Daher ist auch die Temperatur bei Einspritzbeginn vorzugsweise ein Eingangsparameter.
Die Bestimmung der Wandwärmeverluste der Nacheinspritzung direkt aus den Messergebnissen ist nicht möglich. Die Wandwärmeverluste der Haupteinspritzung können jedoch mit dem zuvor beschriebenen Modell berechnet werden. Die Differenz zwischen dem aus der Haupteinspritzung berechneten und den aus den Messdaten mit Nacheinspritzung bestimmten Wandwärmestrom ergibt die von der Nacheinspritzung verursachten Wandwärmeverluste. Gemessen an der eingebrachten Kraftstoffenergie geht nur ein sehr geringer Teil über die Zylinderwand verloren. Folgende Eingangsparameter werden vorzugsweise im empirischen Modell für die Wandwärmeverluste der Nacheinspritzung verwendet: Volumenspezifische Kraftstoffleistung der Nacheinspritzung und Einspritzbeginn der Nacheinspritzung.
Die Umwandlung der chemisch gebundenen Kraftstoffenergie in die Leistung der Hochdruckschleife ist gemeinsam mit der Landungswechselarbeit und der Motorreibung für die effektive Motorleistung verantwortlich. Die Ladungswechselarbeit wird durch ein Ladungswechselmodell berechnet, auf das hier nicht näher eingegangen wird, und kann daher als gegeben angenommen werden. Für die Motorreibung gibt es ein eigenes empirisches Modell.
Indizierte Leistung der Hochdruckschleife
Um ein vorzugsweises Modell der indizierten Leistung der Hochdruckschleife zu beschreiben, kann vom ersten Hauptsatz der Thermodynamik ausgegangen werden:
Figure imgf000060_0001
Hierbei sind:
V[m3] Volumen
dQB J
άφ °KW_ Umgesetzte Brennstoffenergie
dQw J
°KW Wandwärmeverlust
J
Ε,Α
Spezifische Enthalpie Ein- und Auslass
Figure imgf000060_0002
Massenstrom Ein- und Auslass dmLeck kg
άφ Massenstrom Leckage
U[J] innere Energie
Demnach ergibt sich für die Volumenänderungsarbeit eines Arbeitsspiels unter der Vernachlässigung von Leckage und der durch den Einlass zugeführten Energie folgender Zusammenhang. dV _ dQB dQw dm
P άφ άφ άφ nA άφ
Daraus ergeben sich die Eingangsparameter für das Modell für die indizierte Leistung der Hochdruckschleife. Die in den Brennraum eingebrachte Kraftstoffenergie ist hauptverantwortlich für die abgegebene nutzbare Leistung der Verbrennungskraftmaschine. Die eingebrachte Kraftstoffenergie hat nämlich mit Abstand den größten Einfluss auf die indizierte Leistung. Daher ist die volumenspezifische Kraftstoffleistung bei Einspritzbeginn vorzugsweise ein Eingangsparameter.
Des Weiteren ist aus obiger Gleichung zu erkennen, dass ein geringerer Wandwärmeverlust einen höheren Anteil der nutzbaren eingebrachten Kraftstoffenergie zur Folge hat. Daher ist der volumenspezifische Wandwärmestrom bei Einspritzbeginn vorzugsweise ein Eingangsparameter.
Neben diesen beiden Modelleingangsgrößen haben noch Lage und Brenndauer der Verbrennung Einfluss auf die indizierte volumenspezifische Leistung. Je später die Verbrennung und je länger die Umsetzung dauert, desto höher ist die über das Abgas abgegebene spezifische Enthalpie. Dies hat eine Reduktion der indizierten Leistung zur Folge. Daraus ergeben sich die beiden letzten Eingangsgrößen in das Modell zur Berechnung der volumenspezifischen Hochdruckleistung, nämlich der Brennbeginn und die Verbrennungsdauer bis zum Verbrennungsschwerpunktvorzugsweise. Bei der indizierten Leistung ist ebenfalls zu beachten, dass die Nacheinspritzung durch ihre teilweise späte Lage, die zur Erhöhung der Temperatur beziehungsweise der Kohlenwasserstoff Emissionen verwendet wird, nicht mit dem gleichen Wirkungsgrad wie bei der Haupteinspritzung verbrennen kann. Aus diesem Grund ist es wichtig, die indizierte Leistung der Nacheinspritzung explizit zu modellieren. Dieses Modell ist in seiner Komplexität bei weitem nicht so groß wie das der Hauptverbrennung; die wesentlichen Einflüsse werden jedoch berücksichtigt.
Die Bestimmung der indizierten Leistung der Nacheinspritzung erfolgt ebenfalls über die Differenzbildung von gemessener und der für die Haupteinspritzung berechneten indizierten Hochdruckleistung. Folgende Eingangsparameter werden analog zum Wärmestrommodell der Nacheinspritzung vorzugsweise verwendet: Volumenspezifische Kraftstoffleistung der Nacheinspritzung und Einspritzbeginn der Nacheinspritzung.
Großen Einfluss auf die von der Nacheinspritzung verursachte indizierte Leistung hat die eingebrachte brennende Kraftstoffmenge, auch hier muss selbstverständlich der nichtbrennende Anteil abgezogen werden. Wie hoch ihr thermodynamischer Wirkungsgrad ist, hängt zum größten Teil von ihrer Lage bezogen zum oberen Totpunkt ab. Eine spätere Einspritzung indiziert analog zur Haupteinspritzung eine geringere Leistung.
Motorreibunq
Die Motorreibung gehört zwar nicht unmittelbar zum Verbrennungsvorgang, ist aber für die Berechnung der abgegebenen Motorleistung notwendig. Die Motorreibung hängt stark vom Betriebszustand ab. Neben der Drehzahl hat auch die Last, durch die direkt davon abhängige Gaskraft, Einfluss auf die Motorreibung.
Das Reibungsmodell hat vorzugsweise nur zwei Eingangsparameter. Da PKW- und Nutzfahrzeugmotoren unterschiedliche Drehzahlen haben, ist die Drehzahl kein geeigne- ter Eingang in das Reibungsmodell. Für die Berechnung der Reibung wird folglich vorzugsweise die mittlere Kolbengeschwindigkeit, die unabhängig vom Motortyp vergleichbar ist, als Eingangsparameter verwendet. Als Lastabhängigkeit wird vorzugsweise der Zylinderspitzendruck als Eingangsparameter verwendet, da dieser in direktem Zusammenhang mit der maximalen Gaskraft steht.
Da die Motorreibung in hohem Maß von konstruktiven Größen abhängig ist, haben An- zahl und Dimension der Hauptlager, Öl-, Wasser-, Kraftstoffpumpe oder das Kolben/Ringpaket im Allgemeinen großen Einfluss auf die Verlustleistung. Dies wird vorzugsweise über den Einstellparameter für die Verlustleistung berücksichtigt.
Zylinderspitzendruck
Für die mechanische Beanspruchung eines Dieselmotors ist der Zylinderspitzendruck von großer Bedeutung. Aus diesem Grund wird auch für diesen vorzugsweise ein empirisches Modell erstellt. Bei gegebenem Verdichtungsverhältnis, gleicher Kraftstoffmenge und gleichem Einspritzzeitpunkt ist der Ladedruck maßgeblich für das Druckniveau während der Verbrennung verantwortlich. Um aber auch Unterschiede im Verdichtungsverhältnis abbilden zu können, wird vorzugsweise der Druck beim Einspritzbeginn der Haupteinspritzung als Eingangsparameter für die Berechnung des Zylinderspritzendrucks verwendet. Die Druckerhöhung durch die Verbrennung wird durch die Lage der Verbrennung und durch die zugeführte Kraftstoffmenge beeinflusst. Bei konstanter Kraftstoffmenge bestimmen Verbrennungsbeginn und die Durchbrenndauer die Drucküberhöhung. Eine frühere Verbrennung oder eine schnelle Brenngeschwindigkeit bewirken bekanntermaßen eine Erhöhung des Verbrennungsspitzendrucks. Daher sind auch Brennbeginn und Durch- brenndauer vorzugsweise Eingangsparameter.
Die Änderung der Kraftstoffmasse hat bei sonst gleichen Randbedingungen nahezu linearen Einfluss auf den Zylinderspitzendruck. Durch die Erhöhung der eingebrachten Kraftstoffenergie nehmen natürlich auch das Temperaturniveau und somit der Spitzen- druck zu. Daher ist auch die spezifische Kraftstoffmasse vorzugsweise ein Eingangsparameter.
Stickoxidemission Beim Dieselmotor sind Stickoxidemission und Rußemission die unangenehmsten Schadstoffkomponenten. Ihre Reduktion ist zum Erreichen zukünftiger Gesetzgebungen von größter Bedeutung. Daher ist die Vorausberechnung der Stickoxidemission wesent- lieh für die erfolgreiche Anwendung einer Verbrennungssimulation. Die Stickoxidemissionen werden in dem Verfahren zur Optimierung vorzugsweise kraftstoffspezifisch berechnet. Dies hat neben der guten Modellierbarkeit auch den Vorteil, dass ohne das Einspritzen von Kraftstoff keine Emissionen entstehen können.
Seit der Einführung der Abgasrückführung konnte die Stickoxidemission stark reduziert werden, da dadurch auch ohne späten Einspritzbeginn niedrige NOx-Emissionen erreicht werden konnten. Grund für die Reduktion der Stickoxidemissionen ist eine Absenkung der Temperatur in der Flamme durch den erhöhten Anteil an Inertgas und der daraus resultierenden höheren spezifischen Wärmekapazität der Füllung. Dabei hängt das NOx- Reduktionspotential der Abgasrückführung nicht nur von deren Rate, sondern von der dadurch reduzierten Sauerstoffkonzentration der Zylinderfüllung ab. Diese wiederum hängt von der AGR-Masse und deren Lambda ab, welches im Stationärbetrieb dem Luftverhältnis der Verbrennung entspricht. Der Einfluss der Luftfeuchtigkeit wird näherungsweise durch Reduktion der Sauerstoffkonzentration berücksichtigt, wobei die Reduktion der Sauerstoffkonzentration durch die Luftfeuchtigkeit gleich gewichtet wird wie durch AGR. Daraus ergibt sich der erste Eingangsparameter in das Stickoxidmodell vorzugsweise als Sauerstoffkonzentration bei Brennbeginn.
Auch Lage und Brenndauer haben Einfluss auf die Temperatur, die Haupteinflussfaktor für die Bildung von NOx ist. Je früher die Verbrennung beginnt, desto höher sind die daraus resultierenden Verbrennungstemperaturen. Folglich führt die frühere Verbrennung zu einer Erhöhung der Stickoxidemissionen. Ein weiterer Eingangsparameter ist daher vorzugsweise der Brennbeginn der Haupteinspritzung. Bei gleicher Drehzahl führt ein erhöhter Gleichraumgrad der Verbrennung, eine Annäherung an die Gleichraumverbrennung ebenfalls zu einer Erhöhung der Temperatur, da die gleiche Kraftstoffmenge in kürzerer Zeit umgesetzt wird. In Realität geschieht dies beispielsweise durch ein Anheben des Einspritzdrucks und der damit verbundenen kürzeren Brenndauer. Ein weiterer Eingangsparameter ist daher vorzugsweise die Brenndauer Verbrennungsbeginn bis Verbrennungsschwerpunkt.
Die Bildung von NOx kommt während eines Arbeitsspiels nicht ins Gleichgewicht. Je Länger die Verbrennung bei höheren Temperaturen andauert, desto mehr NOx wird gebildet. Je höher die Drehzahl desto schneller kühlt das Gas im Brennraum ab, und desto geringer ist die NOx-Emission. Aus diesem Grund ist die Drehzahl vorzugsweise ein Eingang in das empirische NOx-Modell. Das Verhältnis zwischen eingespritzter Kraftstoffmasse und Luftmasse, also das Luftverhältnis Lambda, hat ebenfalls Einfluss auf die Stickoxidemission. Steigendes Lambda fördert durch die bessere Verfügbarkeit von Sauerstoff dessen Dissoziation, die Voraussetzung für die Stickoxidbildung ist. Dadurch steigt auch die Bildungsrate von NOx an. Dem gegenüber steht die kühlende Wirkung auf die Verbrennung bei großen Luftüber- Schüssen. Bei sehr geringen Kraftstoffmengen wirkt die im Verhältnis große Luftmasse kühlend auf die Verbrennung, und die Stickoxidemissionen sind gering. Aus diesem Grund ist auch die Stickoxidemission bei Kleinstmengen, wie beispielsweise bei Vorein- spritzvorgängen, sehr gering. Ausgehend von geringem Lambda steigt die NOx- Emission bis zu einem Luftverhältnis zwischen 1 ,6 und 2,2 abhängig vom Betriebspunkt an. Ab diesem Luftverhältnis verliert der Effekt des verfügbaren Sauerstoffs an Bedeutung, die kühlende Wirkung des Luftüberschusses überwiegt, und die Stickoxidemissionen sinken. Auch hier wird aus Gründen der Modellierung nicht Lambda sondern dessen Kehrwert vorzugsweise als Eingangsparameter verwendet. Ein weiterer Einfluss auf das Temperaturniveau der Verbrennung hat die Temperatur bei Einspritzbeginn. Sowohl Einlasssammlertemperatur als auch Verdichtungsverhältnis haben bekannter Weise Einfluss auf die Stickoxidemission. Aus diesem Grund wird als Eingang in das Modell vorzugsweise die zuvor berechnete Temperatur bei Einspritzbeginn der Haupteinspritzung verwendet. Dadurch wird sowohl der Einfluss einer geänder- ten Einlasssammlertemperatur als auch der des Verdichtungsverhältnisses auf die Stickoxidemission abgebildet. Des Weiteren können dadurch auch Verfahren nach Miller oder Atkinson, und die damit verbundene Reduktion der NOx-Emissionen abgebildet werden. Rußemission
Drei vorzugsweise Eingangsparameter in ein empirisches Rußmodell werden im Weiteren beschrieben. Die tatsächlich aus dem Zylinder ausgeschobene Rußmasse hängt zum einen von der Rußbildungsrate, zum anderen von der Rußoxidationsrate ab. Dabei ist zu beachten, dass die Oxidation nicht erst am Ende der Verbrennung beginnt, sondern diese auch schon während der Rußbildung auftritt.
Sowohl für geringe Rußbildungsraten als auch für die Oxidation von Ruß ist Sauerstoff nötig. Bei geringen Luftverhältnissen wird mehr Ruß gebildet, und die Oxidation von Ruß ist aufgrund der geringen Sauerstoffkonzentration nur in geringem Maße möglich. Aus diesem Grund ist die Frischluftmasse bzw. der Lambda-Wert vorzugsweise ein Eingangsparameter für Bildung und Oxidation von Ruß. Durch die schlechteren Bedingungen für die Rußoxidation durch die geringe Sauerstoffkonzentration und die geringeren Temperaturen steigt die Rußemission meist mit der AGR-Rate an, welche daher vorzugsweise ein weiterer Eingangsparameter ist.
Die Bildung von Ruß ist neben der Gemischaufbereitung natürlich auch vom Tempera- turniveau der Verbrennung abhängig. Je höher die Temperatur, desto mehr Ruß wird gebildet. Für die Oxidation sind aber Temperaturen von mindestens 1300K nötig. Daher stehen Bildung und Oxidation von Ruß im Widerspruch. Die Erhöhung des Einspritzdruckes führt zu einer besseren Gemischaufbereitung, aber durch höhere Temperaturen und die schnellere Kraftstoffeinspritzung auch zur Erhöhung der Rußbildungsrate. Dies wird aber durch das hohe Temperatur- und Turbolenzniveau, welche zu einer besseren Oxidation führt, überkompensiert, und die tatsächliche Rußemission sinkt. Daher ist auch der Einspritzdruck vorzugsweise ein Eingangsparameter für ein empirisches Modell für die Rußemissionen. Die Figuren 7 bis 9 zeigen, wie ein Verbrennungsmodell für einen einzelnen Motor (Motor 1 ) nach dem Stand der Technik ermittelt wird. Wie in Figur 7 dargestellt, wird der für diesen Motor stationäre und unter gegebenen Umgebungsbedingungen (Druck, Temperatur) mögliche Betriebsbereich vermessen. Die Parameter x und y, welche den Betriebsbereich des Motors kennzeichnen, sind beispielsweise Ladedruck und Luftmasse. Bei der Vermessung eines bestimmten Motors kann aufgrund von physikalischen Beschränkungen (z.B. Druck- und Temperaturgrenzen von Motorbauteilen) stationär nur ein gewisser Betriebsbereich abgedeckt werden.
Mit den Messdaten der stationären Vermessung kann ein Verbrennungsmodell erstellt werden, dass innerhalb des vermessenen Bereiches eine gute Vorhersagequalität auf- weist. Außerhalb dieses Bereiches wird das Modell extrapoliert, dies wird durch die beiden Pfeile im Diagramm angedeutet. Die Vorhersagequalität in der Extrapolation nimmt stark ab. Die Extrapolation des Modells ist bei dem gleichen Motor notwendig, wenn dieser nicht stationär sondern transient betrieben wird oder sich die Umgebungsbedingungen daher ändern.
Für die Erstellung des Verbrennungsmodells kommt beispielsweise ein polynomisches Modell infrage, wie in Formel (I) im Vorhergehenden dargestellt. Die Koeffizienten x-i , x2, x-1 ,2 werden dabei so gewählt, dass sich eine möglichst gute Übereinstimmung zwischen in den vermessenen Betriebspunkten bestimmten Parameterwerten und den mittels des Verbrennungsmodells bestimmten Parameterwerten einstellt.
Ein entsprechendes Paritätsdiagramm zur Bewertung der Modellqualität eines solchen Verbrennungsmodells ist in Fig. 8 gezeigt. Das Bestimmtheitsmaß R2 beträgt in diesem Fall 0,888. Eine äquivalente Darstellung des Paritätsdiagramms der Fig.8 ist in Fig. 9 gezeigt. Die Datenwolke aus Messpunkten der Fig. 8 ist hierbei durch die schraffierte Fläche angedeutet. Das nach den Figuren 7 bis 9 entwickelte Verbrennungsmodell ist allein für die eine zur Erstellung des Modells herangezogenen Brennkraftmaschine gültig. Soll ein anderer, unbekannter Motor ebenfalls mit einem Verbrennungsmodell abgebildet werden, so muss hierfür im Regelfall eine neuerliche Vermessung des Betriebsbereichs dieses Mo- tors vorgenommen werden und eine neuerliche Bestimmung der Koeffizienten des Polynommodells, beispielsweise durch eine Ausgleichsrechnung, vorgenommen werden.
Die Figuren 10 bis 12 zeigen beispielhaft, wie ein erfindungsgemäßes generisches Ver- brennungsmotormodell für eine ganze Gattung von Motoren entwickelt werden kann.
Wie in Fig. 10 dargestellt, werden zur Erstellung eines generischen Verbrennungsmodells mehrere, unterschiedliche Motoren einer Gattung, insbesondere einer Verbrennungsart und eines bestimmten Hubraumbereichs, herangezogen, im gezeigten Beispiel die drei Motoren Motor 1 , Motor 2 und Motor 3. Beispielsweise weist Motor 1 vier Zylinder auf, Motor 2 drei Zylinder und Motor 3 fünf Zylinder auf. Zusätzlich unterscheiden sich gegebenenfalls auch die Hubräume der Zylinder der einzelnen Motoren.
Für jeden dieser Motoren werden Teile seines jeweiligen Betriebsbereichs vermessen. Idealerweise überlappen die vermessenen Betriebsbereiche der einzelnen Motoren 1 , 2, 3 jedoch lediglich und decken jeweils auch zusätzlich noch unterschiedliche Betriebspunkte ab. Auch anhand dieser Messungen soll ein für diese Motorgattung gültiges Verbrennungsmodell erstellt werden. Wie in Fig. 10 dargestellt, decken die Messungen der verschiedenen Motoren einen größeren Betriebsbereich ab. Dadurch werden jene Be- triebsbereiche, in denen das Modell extrapoliert werden muss, verkleinert, wie durch die Pfeile angedeutet ist.
Zur Erstellung des empirischen Modells werden nunmehr nicht nur die gemessenen Daten eines einzigen Motors herangezogen, sondern aller drei Motoren 1 , 2, 3. Dies bedeu- tet, dass bei Benutzung eines polynomischen Modellansatzes die Koeffizienten des Polynoms anhand der Messdaten aller drei Motoren bestimmt werden.
Die Modellqualität des so gefundenen empirischen Modells wird in Bezug auf die Messdaten der einzelnen Motoren in Fig. 11 dargestellt. Da das entwickelte empirische Modell alle drei Motoren abdeckt, ist die Modellqualität in Bezug auf jeden einzelnen der Motoren unterschiedlich, wie sich aus der Lage und Ausdehnung der einzelnen Datenwolken der Messungen (schraffierte Flächen) in Bezug auf die einzelnen Motoren 1 , 2, 3 ergibt. Insgesamt ergibt sich ein in diesem Fall ein Bestimmtheitsmaß von 0,75. Für ein erfindungsgemäßes Verbrennungsmodell, welches vorzugsweise aus einer Vielzahl von physikalischen Modellen und empirischen Modellen besteht, erreichen einige der empirischen Modelle nur relativ geringe Modellqualitäten, wie sich aus Fig. 1 1 ergibt. Dies liegt vor allem daran, dass bei der generischen Modellbildung der empirischen Modelle physikalische Effekte, wie z.B. die motorspezifische Interaktion zwischen Einspritzstrahl und Kolbenmulde oder auch das Einspritzverhalten in Abhängigkeit der Düsen- lochgeometrie durch das generische Modell nicht ausreichend berücksichtigt werden können. Auch eine Einbindung dieser Abhängigkeiten durch ein zusätzliches physikali- sches Modell ist im Normalfall nicht möglich.
In dem vorliegenden Beispiel eines empirischen Modells für den Betriebsbereich aller drei Motoren 1 , 2, 3 kann die Modellgüte jedoch erhöht werden, indem ein Einstellparameter EP, wie oben in Bezug auf Gleichung (II) gezeigt, eingeführt wird. Der Einstellpa- rameter EP erhält in einem polynomischen Modellansatz einen eigenen Koeffizienten. Bei der Durchführung der Ausgleichsrechnung zur Bestimmung der Koeffizienten wird auch der zu dem Einstellparameter EP gehörige Koeffizient für alle drei Motoren 1 , 2, 3 auf einen Wert festgelegt und gleichzeitig ein Wert für den Einstellparameter EP für jeden Motor 1 , 2, 3 bestimmt, welcher eine möglichst gute Übereinstimmung der Messwer- te des jeweiligen Motors mit dem empirischen Modell gewährleistet.
Die Übereinstimmung zwischen den gemessenen Werten der Datenwolken zu der einzelnen Motoren 1 , 2, 3 und dem empirischen Untermodell ist nach der Modellbildung mit dem Einstellparameter in Fig. 12 dargestellt. Nunmehr wird ein Bestimmtheitsmaß von 0,97 zwischen den Messungen und dem Modell erreicht, was für eine sehr gute Modellgüte steht.
Durch das Einführen des Einstellparameters kann nicht nur die Lage der jeweiligen Messpunktverteilung im Paritätsdiagramm verbessert werden, wie dies aus Fig. 12 deut- lieh wird, sondern auch die Streuung der Messpunkte im Paritätsdiagramm kann in Bezug auf das jeweilige empirische Modell verringert werden, wie durch die beiden Doppelpfeile angedeutet wird (der längere Doppelpfeil entspricht der Streuung ohne Einstellparameter in Bezug auf Motor 2 aus Fig. 1 1 ). Wird das empirische Modell nunmehr in einem generischen Verbrennungsmodell für einen neuen unbekannten Motor X verwendet, für den noch keine Vermessung des Betriebsbereichs vorliegt, welcher jedoch zur gleichen Gattung wie die Motoren 1 , 2, 3 ge- hört, so kann das jeweilige empirische Modell lediglich durch Anpassung des Einstellparameters EP an den unbekannten Motor X angepasst werden.
Bei einem erfindungsgemäßen Verbrennungsmodell für einen Dieselmotor sind dies insbesondere die empirischen Modelle für den Polytropenexponent, den Zündverzug, den Verbrennungsschwerpunkt und die Reibleistung.
Die Bestimmung der Einstellparameter EP kann zunächst auf der Grundlage von Erfahrungswerten von Entwicklungsingenieuren vorgenommen werden. Um den Einstellparameter EP exakt zu bestimmen, muss jedoch wenigstens ein Betriebspunkt an dem unbe- kannten Motor X vermessen werden. Aufgrund des Abgleichs dieses wenigstens einen Betriebspunkts mit den mittels des generischen Verbrennungsmodells errechneten Werten, können die Einstellparameter EP der einzelnen empirischen Modelle bestimmt werden. Ist der Einstellparameter EP bestimmt, steht für den neuen, unbekannten Motor X ein motorspezifisches Verbrennungsmodell zur Verfügung, mit dem eine sehr hohe Übereinstimmung zum realen Betrieb erreicht wird, wie anhand der Figuren 16 und 17 gezeigt werden kann. In Figur 13 ist beispielhaft ein sogenanntes Interaktionsdiagramm für ein empirisches Modell des Zündverzugs dargestellt. Das Interaktionsdiagramm gibt dabei die Wirkrichtung der einzelnen Eingangsgrößen bzw. Eingangsparameter in das empirische Modell des Zündverzugs an. Ein solches Interaktionsdiagramm kann insbesondere zur Knowhow-basierten Bewertung der Modellqualität bei der Plausibilitätsbewertung einge- setzt werden.
Wie aus dem in Fig. 13 gezeigten Beispiel hervorgeht, ist die Abhängigkeit zwischen dem Zündverzug und dem Einstellparameter in diesem Fall eine gekrümmte Funktion zweiten Grades. Für einen einzelnen Motor 1 , 2, 3, X wird der Einstellparameter für das jeweilige empirische Modell jedoch nur einmal gewählt und bleibt für den gesamten Betriebsbereich des jeweiligen Motors konstant. Anhand von Fig. 14 wird der Unterschied zwischen dem Einfluss eines konstanten Off- setwerts C in einem polynomischen Modell zu dem erfindungsgemäßen motorspezifischen Einstellparameter gezeigt. Auch Fig. 14 beruht, wie Fig. 12, auf dem Paritätsdiagramm der Fig. 1 1 . Die einzelnen Datenwolken der Messpunktverteilungen der Motoren 1 , 2, 3 wurden durch das Einführen eines konstanten Offsetwerts für jeden Motor ver- schoben. Da die Lage der einzelnen Verteilungen der Motoren sich im Paritätsdiagramm verbessert hat, hat das Bestimmtheitsmaß zwar geringfügig zugenommen, liegt aber immer noch in einem unbefriedigenden Bereich der Modellqualität. Insbesondere lässt sich durch das Einführen eines Offsetwerts in den polynomischen Modellansatz keine Verringerung der Streuung in dem Paritätsdiagramm erreichen. So ist die Breite der Ver- teilungswolke in Bezug auf Motor 2 in Fig. 14 identisch zu jener in Fig. 1 1 .
Die Nutzung eines generischen Verbrennungsmodells zur Simulation von einer ganzen Gattung von Brennkraftmaschinen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ist daher durch das einfache Einführen von Offset-Werten oder Korrekturfaktoren nicht möglich.
Wie in Fig. 15 dargestellt, wird beim Erstellen eines Verbrennungsmodells, welches die Grundlage des erfindungsgemäßen Verfahrens bildet, im Wesentlichen in umgekehrter Reihenfolge vorgegangen, in welcher die Abhängigkeit der einzelnen Untermodelle voneinander gegeben ist, d.h. in umgekehrter Richtung des Informationsflusses zwischen den einzelnen Untermodellen, wie er beispielsweise in Fig. 4 dargestellt ist. Dabei wird mit der Modellerstellung bei jenen Modellen begonnen, die die gewünschten Ausgangsgrößen liefern und es werden so viele Modelle hinzugezogen, bis die gewünschten Ausgangsgrößen aus den vorhandenen bzw. vorgegebenen Eingangsgrößen bestimmt werden können.
In dem in Fig. 15 gezeigten Ausführungsbeispiel des Ablaufs der Modellerstellung für einen Dieselmotor sollen einerseits die indizierte Hochdruckleistung und die Wandwärmeverluste und andererseits die Stickstoffemission und der Spitzendruck berechnet wer- den. Hieraus ergibt sich, dass Modelle für den Verbrennungsschwerpunkt, den Zündverzug und die Kompression bzw. den Polytropenexponent sowie weitere etwaige physikalische Modelle notwendig sind, um anhand der im Normalfall von einer Steuerung gelieferten Eingangsgrößen eine Simulation ausführen zu können.
Im Folgenden wird in Kombination mit einem Luftpfadmodell und einem Abgasnachbehandlungsmodell ein Anwendungsbeispiel der Erfindung zur Ermittlung von Parametern, welche den Betrieb einer Brennkraftmaschine im transienten Testzyklus für Off-Road Motoren (NRTC) charakterisieren, anhand der Fig. 16 und 17 erläutert.
Die Kenntnis des transienten Motorverhaltens im Hinblick auf thermodynamische Größen sowie auf Emissionen von großer Bedeutung, um in frühen Phasen der Entwicklung Konzepte untersuchen zu können oder optimale Betriebsstrategien festzulegen. Im dargestellten Beispiel wurden die Diesel-Partikel-Filter (DPF) Regenerationsintervalle eines Industriemotors bei verschiedenen Lastprofilen unter der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens untersucht und die Betriebsstrategie im Weiteren optimiert.
In einem ersten Schritt ist das erfindungsgemäße Verfahren anhand des gesetzlichen transienten Testzyklus für Off-Road Motoren (NRTC) validiert worden. Betrieben wird das Motormodell mit einem Software-Steuergerät, in dem die wichtigsten Funktionen des realen Steuergerätes abgebildet sind. Die Regler des virtuellen Steuergerätes wurden dabei so abgestimmt, dass das transiente Verhalten des virtuellen Motors dem des realen Motors entspricht. Bei dieser Art der Modellanwendung spricht man von Model in the Loop (MiL). In einem zweiten Schritt wurde der Industriemotor im realen Betrieb auf ei- nem Prüfstand dem NRTC-Zyklus unterzogen.
Neben den mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelten Werten (B) werden in Fig. 16 die gemessenen transienten Verläufe (A) von Drehzahl, Drehmoment und Luftmasse normiert dargestellt. Zusätzlich sind die Temperatur vor Turbine, die Stickoxidemission und die Rußemission im transienten Betrieb gezeigt. Die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelten Verläufe stimmen mit den gemessenen Verläufen bis auf kleine Abweichungen überein. Figur 17 zeigt einen relativen Vergleich der Zyklusergebnisse des transienten Emissionstests. Es ist zu erkennen, dass die Abweichungen der Zyklusergebnisse für NOx, Ruß und Kraftstoffverbrauch deutlich geringer als 10% sind. Daher ist das erfindungsgemäße Verfahren gut zur Optimierung einer Brennkraftmaschine geeignet, ohne das Versuche mit der eigentlichen zu optimierende technischen Einrichtung durchgeführt werden müssen.
Insbesondere ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Vorrichtung auch möglich, Optimierungen in Zwischenstufen bzw. Schritten vorzunehmen, bei welchen Messungen am Prüfstand mit Optimierungen anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens Hand-in-Hand gehen. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass sich die verarbeiteten empirischen Modelle nicht zu weit von der Realität entfernen. Vorzugsweise können die empirischen Modelle in Zwischenschritten auch verändert und an reale Messungen angepasst werden.

Claims

Ansprüche
Verfahren (100) zur modellbasierten Optimierung, insbesondere Kalibrierung, einer technischen Einrichtung, insbesondere einer Brennkraftmaschine, folgende Arbeitsschritte aufweisend:
Erfassen (101 ) von wenigstens einem ersten Parameter in Bezug auf die zu optimierende technische Einrichtung, welcher eine physikalische Größe charakterisiert;
Erstes Bestimmen (103) wenigstens eines zweiten Parameters in Bezug auf die zu optimierende technische Einrichtung durch wenigstens ein erstes physikalisches Modell, welches wenigstens einen bekannten physikalischen Zusammenhang charakterisiert, und für welches der wenigstens eine erste Parameter ein Eingangsparameter ist;
Zweites Bestimmen (104) wenigstens eines dritten Parameters durch wenigstens ein erstes empirisches Modell, welches auf Messungen an einer Mehrzahl von bereits bekannten technischen Einrichtungen derselben Gattung, insbesondere Brennkraftmaschinen, beruht und für welches zumindest der wenigstens eine zweite Parameter ein Eingangsparameter ist, wobei der wenigstens eine dritte Parameter geeignet ist, um die zu optimierende technische Einrichtung zu charakterisieren und/oder um auf dessen Grundlage eine Veränderung der zu optimierenden technischen Einrichtung vorzunehmen, insbesondere eine Steuerung der zu optimierenden technischen Einrichtung einzustellen; und
Ausgeben (105) des wenigstens einen dritten Parameters.
Verfahren (100) nach Anspruch 1 , wobei wenigstens das zweite Bestimmen des wenigstens einen dritten Parameters ausschließlich in wenigstens einem vorbestimmten Zeitpunkt, insbesondere eine vorbestimmte Kurbelwellenposition, der technischen Einrichtung durchgeführt wird, insbesondere einem Einspritzzeitpunkt, Zündzeitpunkt und/oder Verbrennungsschwerpunkt (MFB50%).
Verfahren (100) nach Anspruch 1 , des weiteren folgenden Arbeitsschritt aufweisend: Normierung (102) des wenigstens einen ersten Parameters, bevorzugt in Bezug auf ein Leistungspotential der zu optimierenden technischen Einrichtung, insbesondere in Bezug auf einen Hubraum der Brennkraftmaschine und/oder Normierung des wenigstens einen zweiten Parameters und/oder Normierung des wenigstens einen dritten Parameters.
Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, des weiteren folgende Arbeitsschritte aufweisend:
Drittes Bestimmen wenigstens eines vierten Parameters durch ein zweites physikalisches Modell (106a) und/oder durch zweites empirisches Modell (106b) auf der Grundlage des wenigstens einen dritten Parameters und/oder auf der Grundlage wenigstens eines ersten Parameters aus einer Mehrzahl von ersten Parametern und/oder wenigstens eines zweiten Parameters aus einer Mehrzahl von zweiten Parametern, wobei der wenigstens eine vierte Parameter geeignet ist, um die zu optimierende technische Einrichtung zu charakterisieren und/oder um auf dessen Grundlage eine Veränderung der zu optimierenden technischen Einrichtung vorzunehmen, insbesondere eine Steuerung der zu optimierenden technischen Einrichtung einzustellen; und
Ausgeben (107) des wenigstens einen vierten Parameters.
Verfahren (100) nach Anspruch 4 des weiteren folgende Arbeitsschritte aufweisend:
Viertes Bestimmen von wenigstens einem weiteren Parameter durch wenigstens ein weiteres physikalisches Modell (108a) und/oder durch wenigstens ein weiteres empirisches Modell (108b) auf der Grundlage des wenigstens einen dritten Parameters und/oder auf der Grundlage des wenigstens einen vierten Parameters und/oder auf der Grundlage wenigstens eines einer Mehrzahl von ersten Parametern und/oder wenigstens eines einer Mehrzahl von zweiten Parametern, wobei der wenigstens eine weitere Parameter geeignet ist, um die zu optimierende technische Einrichtung zu charakterisieren und/oder um auf dessen Grundlage eine Veränderung der zu optimierenden technischen Einrichtung vorzunehmen, insbesondere eine Steuerung der zu optimierenden technischen Einrichtung einzustellen; und Ausgeben (109) des wenigstens einen weiteren Parameters.
Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei das dritte Bestimmen (106a; 106b) des vierten Parameters und/oder das vierte Bestimmen (106a; 106b) des weiteren Parameters in einem anderen Zeitpunkt, insbesondere einer anderen Kurbelwellenposition, der technischen Einrichtung wie das zweite Bestimmen (104) des dritten Parameters durchgeführt wird.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Erfassen (101 ), das erste Bestimmen (103), das zweite Bestimmen (104), und gegebenenfalls das dritte Bestimmen (106a, 106b) und das vierte Bestimmen (108a, 108b) ohne Messungen an der zu optimierenden technischen Einrichtung durchgeführt werden.
Verfahren zur modellbasierten Optimierung, insbesondere Kalibrierung, einer technischen Einrichtung, insbesondere einer Brennkraftmaschine,
wobei ein Gesamtsystem der zu optimierenden technischen Einrichtung mit wenigstens einem ersten physikalischen Modell, welches wenigstens einen bekannten physikalischen Zusammenhang charakterisiert, und wenigstens einem empirischen Modell, welches auf Messungen an einer Mehrzahl von bereits bekannten technischen Einrichtungen derselben Gattung, insbesondere Brenn kraftmaschi- nen, beruht, simuliert wird,
wobei wenigstens ein physikalisches Modell und/oder wenigstens ein empirisches Modell zusätzlich von einem maschinenspezifischen Einstellparameter abhängt, um das jeweilige Modell an die zu optimierende technische Einrichtung anzupassen,
wobei in einer ersten Phase des Verfahrens wenigstens ein Messpunkt im Betrieb der zu optimierenden technischen Einrichtung gemessen wird und der maschinenspezifische Einstellparameter auf der Grundlage des wenigstens einen Messpunkts bestimmt wird, indem gemessene Werte mit anhand der Modelle berechneten Werten des Messpunkts verglichen werden,
wobei in einer zweiten Phase des Verfahrens keine Messungen mehr vorgenommen werden und das Gesamtsystem der zu optimierenden technischen Einrich- tung mittels des wenigstens einen physikalischen Modells und des wenigstens einen empirischen Modell simuliert wird, wobei ein mittels des wenigstens einen physikalischen Modells bestimmter zweiter Parameter als Eingangsparameter in das wenigstens eine empirische Modell eingeht.
Verfahren nach Anspruch 8,
wobei wenigstens ein erster Parameter in Bezug auf die zu optimierende technische Einrichtung, welcher eine physikalische Größe charakterisiert, ein Eingangsparameter des wenigstens einen physikalischen Modells ist und wobei ein mittels des wenigstens einen empirischen Modells bestimmter dritter Parameter, welcher geeignet ist, um die zu optimierende technische Einrichtung zu charakterisieren und/oder um auf dessen Grundlage eine Veränderung der zu optimierenden technischen Einrichtung vorzunehmen, insbesondere eine Steuerung der zu optimierenden technischen Einrichtung einzustellen, ausgegeben wird.
Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei wenigstens eines der verwendeten physikalischen Modelle und/oder wenigstens eines der verwendeten empirischen Modelle zusätzlich von einem maschinenspezifischen Einstellparameter abhängt, um das jeweilige Modell an die zu optimierende technische Einrichtung anzupassen, wobei vorzugsweise für verschiedene Modelle jeweils ein unterschiedlicher Einstellparameter verwendet wird.
Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei als Einstellparameter ein Kompression-Einstellparameter, ein Zündverzug-Einstellparameter, ein Brenndauer/MFB50-Einstellparameter und ein Motorreibungs-Einstellparameter, ein Liefergrad-Einstellparameter, Füllungsrechnungs-Einstellparameter, Restgasgehalt-Einstellparameter, Ladungswechselverluste-Einstellparameter und ein Hochdruckleistung-Einstellparameter zur Verfügung stehen.
Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 8 bis 1 1 , wobei ein Wert wenigstens eines maschinenspezifischen Einstellparameters für alle Betriebspunkte der zu optimierenden technischen Einrichtung, insbesondere der Brennkraftmaschine, gleich ist, wobei die Brennkraftmaschine vorzugsweise definiert ist durch a) Düse, Brennraum und Ladungsbewegung, insbesondere Drall oder Tumble, und/oder
b) Ventilcharakteristik und Einlasskanalgeometrie und/oder
c) Verlustleistungscharakteristik.
Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei der Wert des maschinenspezifischen Einstellparameters für eine Gruppe technischer Einrichtungen der gleichen Gattung gleich ist.
Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei der maschinenspezifische Einstellparameter ein weiterer Eingangsparameter in das jeweilige Modell ist, welcher für den gesamten Betriebsbereich zu optimierenden technischen Einrichtung konstant ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, wobei als Ausgangswert für einen maschinenspezifischen Einstellparameter der zu optimierenden technischen Einrichtung ein auf der Grundlage der Werte von Einstellparametern der Mehrzahl von bereits bekannten technischen Einrichtungen, ermittelt wird, insbesondere als ein Mittelwert.
Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 8 bis 15, des Weiteren folgende Arbeitsschritte aufweisend:
Messen (10A) wenigstens eines Messpunkts im Betrieb der zu optimierenden technischen Einrichtung; und
Bestimmen (10B) des maschinenspezifischen Einstellparameters auf der Grundlage des wenigstens einen Messpunkts, indem gemessene Werte mit berechneten Werten des ersten Parameters und/oder zweiten Parameters bei gleichen Eingangsparametern verglichen werden. 17. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 8 bis 16 des weiteren folgende beitsschritte aufweisend:
Erfassen (10A-a) des wenigstens einen zweiten Parameters; und Bestimmen (10B-a) des wenigstens einen maschinenspezifischen Einstellparameters auf der Grundlage des wenigstens einen erfassten zweiten Parameters, insbesondere durch Vergleich von wenigstens einem erfassten Wert mit wenigstens einem anhand des ersten empirischen Modells bestimmten Wert des wenigstens einen dritten Parameters; und/oder
Erfassen (10A-b) des wenigstens einen dritten Parameters; und
Bestimmen (10B-b) des wenigstens einen maschinenspezifischen Einstellparameters auf der Grundlage des wenigstens einen erfassten dritten Parameters, insbesondere durch Vergleich von wenigstens einem erfassten Wert mit wenigstens einem anhand des ersten empirischen Modells bestimmten Wert des wenigstens einen dritten Parameters; und/oder
Erfassen (10A-c) des wenigstens einen vierten Parameters; und
Bestimmen (10B-c) des wenigstens einen Einstellparameters auf der Grundlage des erfassten wenigstens einen vierten Parameters, insbesondere durch Vergleich von wenigstens einem erfassten Wert mit wenigstens einem anhand des zweiten empirischen Modells bestimmten Wert des wenigstens einen vierten Parameters; und/oder
Erfassen (10A-d) des wenigstens einen weiteren Parameters; und
Bestimmen (10B-d) des wenigstens einen Einstellparameters auf der Grundlage des erfassten wenigstens einen weiteren Parameters, insbesondere durch Vergleich von wenigstens einem erfassten Wert mit wenigstens einem anhand des Weiteren empirischen Modells bestimmten Wert des wenigstens einen weiteren Parameters.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, des weiteren folgenden Arbeitsschritt aufweisend:
Verändern des wenigstens einen ersten Parameters der zu optimierenden technischen Einrichtung auf der Grundlage des wenigstens einen dritten Parameters, des wenigstens einen vierten Parameters und/oder des wenigstens einen weiteren Parameters.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, des weiteren folgenden Arbeitsschritt aufweisend: Bewerten des wenigstens einen dritten Parameters, des wenigstens einen vierten Parameters und/oder des wenigstens einen weiteren Parameters anhand einer Referenz; und
Ausgeben der Bewertung.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der wenigstens eine erste Parameter durch ein Steuergerät für die zu optimierende technische Einrichtung vorgegeben oder eingestellt wird.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der wenigstens eine erste Parameter durch eine Veränderung konstruktiver Merkmale der zu optimierenden technischen Einrichtung beeinflussbar ist.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine empirisches Modell ein polynomisches Modell ist, dessen Koeffizienten anhand der Messungen an der Mehrzahl von bereits bekannten technischen Einrichtungen derselben Gattung durch eine Ausgleichsrechnung bestimmt sind, wobei der Einstellparameter ein Eingangsparameter des empirischen Modells ist, welcher mit wenigstens einem Koeffizienten multipliziert wird und welcher für die zu optimierende technische Einrichtung konstant ist.
Computerprogramm, das Anweisungen enthält, die wenn sie von einem Computer ausgeführt werden, diesen dazu veranlassen, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22 auszuführen.
Computer-lesbares Medium, auf welchem ein Computerprogramm nach Anspruch 23 gespeichert ist.
Vorrichtung zur modellbasierten Optimierung, insbesondere Kalibrierung, einer technischen Einrichtung, insbesondere einer Brennkraftmaschine, aufweisend: wenigstens eine Messeinrichtung zum Erfassen von wenigstens einem ersten Parameter in Bezug auf die zu optimierende technische Einrichtung, welcher geeignet ist, eine physikalische Größe zu charakterisieren, eine Speichereinrichtung, in welcher wenigstens ein erstes physikalisches Modell eines bekannten physikalischen Zusammenhangs und wenigstens ein erstes empirisches Modell, welches auf Messungen an einer Mehrzahl von bereits bekannten technische Einrichtungen derselben Gattung, beruht, hinterlegt sind, eine erste Zuordnungseinrichtung, um dem ersten Parameter auf der Grundlage des wenigstens einen ersten physikalischen Modells einem zweiten Parameter zuzuordnen,
eine zweite Zuordnungseinrichtung, um wenigstens dem zweiten Parameter auf der Grundlage des wenigstens einen ersten empirischen Modells einen dritten Parameter zuzuordnen, und
eine Schnittstelle zum Ausgeben des wenigstens einen dritten Parameters, wobei der dritte Parameter geeignet ist, um die zu optimierende technische Einrichtung zu charakterisieren und/oder um auf dessen Grundlage eine Veränderung der zu optimierenden technischen Einrichtung vorzunehmen, insbesondere eine Steuerung der zu optimierenden technischen Einrichtung einzustellen.
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