WO2017005337A1 - Verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine, steuereinrichtung für eine brennkraftmaschine und brennkraftmaschine - Google Patents

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order control
order
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Andreas Flohr
Jens Niemeyer
Jorg Remele
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    • F02D41/30—Controlling fuel injection

Definitions

  • the invention relates to a method for operating an internal combustion engine, a control device for an internal combustion engine and an internal combustion engine.
  • Systems for controlling or controlling the operation of internal combustion engines generally have various functional modules, wherein an operation of the entire system is performed via an electronic engine management. It is possible that components are regulated separately by individual controllers. Dependencies between the individual components, functions for protecting the components and component-spanning functions are not very transparent in elaborate characteristic map structures, in particular with a large number of correction maps for specific environmental and / or environmental conditions, as well as
  • control strategies can hardly be implemented on standard control units for internal combustion engines. This is because of the complexity of such models
  • the invention is based on the object, a method for operating a
  • the object is achieved in particular by a method for operating a
  • Internal combustion engine wherein at least a first-order control module Default values for at least one second-order control module - in particular subordinate to the first-order control module - preferably calculated by means of a model-based calculation, in particular optimization, wherein the default values are determined by the at least one second-order control module for controlling and / or regulating at least one function, for example one Metering of fuel or a charging path, the internal combustion engine are used, wherein a separation of calculation steps is carried out such that by the at least one control module of first order, a static calculation, in particular optimization of at least a first process of
  • First and second-order control modules permit a faster and less computationally intensive execution of the necessary computation steps for operating the internal combustion engine, in particular because at least one first process suitable for this purpose is static and thus explicitly without
  • Time dependence can be considered.
  • Computational effort for a model-based calculation, in particular optimization, of the operation of the internal combustion engine can be saved, so that the method can be performed on a standard control device for an internal combustion engine in real time. Since the static calculation takes place model-based in the at least one first-order control module, there is no need for a large number of intransparent and unclearly intelligible characteristics maps, in particular no large number of correction maps for taking into account environmental and / or environmental factors
  • control module is understood here and in the following to mean a delimited or definable control structure which can receive inputs and output outputs, preferably according to their calculation as a function of the inputs Preferably, such a control structure has interfaces in the form of defined input variables and defined output variables Such a control module can be a stand-alone
  • Control device in particular with defined interfaces act. But it is also possible that such a control module is a modular structure of a higher-level control device, in particular a software or hardware module of such a control device.
  • the at least one first-order control module preferably calculates setpoint values for manipulated variables as default values for the at least one second-order control module.
  • the at least one second-order control module preferably controls or regulates at least one manipulated variable of the internal combustion engine on the basis of the first-order control module
  • the at least one second-order control module is designed as a controller or has the
  • Process of the internal combustion engine is then controlled by the second-order control module
  • the second-order control module preferably performs a prediction of a temporal development of the operation of the internal combustion engine - in particular for a next one
  • actuator limitations such as flap stops, occurring errors, which are determined in particular by diagnostic and / or monitoring functions, or act in principle, physical limitations.
  • Limits are preferably transmitted by the second-order control module to the first-order control module, which takes into account the limitations in the calculation of the default values.
  • the first order control module generates setpoints for these
  • subordinate component depending on the current operating situation of the Internal combustion engine and occurring limits.
  • these setpoints are adjusted, in particular taking into account the dynamic behavior of the respective component - preferably by the control mechanism and / or by the prediction.
  • the default values are used by the at least one second-order control module for controlling and / or regulating at least one function of the internal combustion engine is particularly responsive to the default values being converted into control values for controlling at least one actuator of the internal combustion engine. If, for example, the first-order control module calculates a default value for a boost pressure, this default value can be converted by the second-order control module into a throttle flap position, which is then triggered by the second-order control module.
  • An embodiment of the method is preferred which is characterized in that a static calculation, in particular optimization, of a first process of the internal combustion engine is carried out by the at least one control module of the first order, wherein the first process runs on a first, smaller time scale, wherein the at least one
  • Second order control module a dynamic calculation of at least one second process of the internal combustion engine is performed, which runs on a second, larger time scale.
  • the division of different processes on a static calculation on the one hand and a dynamic calculation on the other hand so takes place in particular on the basis of a
  • Time scale separation In this case, a process that takes place on a smaller time scale, in particular very fast, be treated statically, without that a relevant accuracy and precision for controlling the internal combustion engine is lost.
  • a process that takes place on a smaller time scale in particular very fast, be treated statically, without that a relevant accuracy and precision for controlling the internal combustion engine is lost.
  • Such processes can rather be calculated on the basis of a static model.
  • processes which run on a larger time scale can also be calculated dynamically without too much computational effort, in particular by an explicitly time-dependent regulation and / or a prediction of a behavior of the combustion engine, in particular for the determination of
  • the first, smaller time scale and the second, larger time scale differ by at least two orders of magnitude.
  • Particularly preferred concerns the first, smaller time scale Processes that take place within at least 1 millisecond to at most 50 milliseconds, in particular approximately 30 milliseconds.
  • the second, larger time scale relates, in particular, to processes which take place within at least 1 second to at most a few minutes, in particular up to a maximum of 1 minute, or also up to a maximum of 3 seconds.
  • an embodiment of the method is preferred, which is characterized in that the at least one first-order control module carries out a model-based, static calculation, in particular optimization, of a combustion process of the internal combustion engine.
  • the combustion process which takes place in particular in at least one combustion chamber of the internal combustion engine, especially for a static calculation, because it runs on a time scale that is much smaller, in particular at least two orders of magnitude smaller than a time scale, on the other for the operation run the relevant internal combustion engine processes.
  • combustion in the at least one combustion chamber typically takes place within a few tens of milliseconds, in particular within approximately 30 milliseconds.
  • Internal combustion engine in particular of the input variables of the combustion chamber, is static.
  • a mathematical model of the combustion process is preferably implemented in the first-order control module, which calculates at least one output variable statically, that is to say independently of time, as a function of at least one input variable.
  • the model returns as output at least one default value for the at least one second-order control module as a result.
  • the static consideration of the combustion process is not a simplification, but a procedure that is physically justified.
  • the conditions at the inlet and outlet give a Combustion chamber and the amount of fuel supplied before the properties of the combustion. These variables themselves are considered dynamic, but the combustion is in
  • the first-order control module calculates as a default value at least one desired value which is selected from a group consisting of a fuel pressure, in particular a pressure in a common high-pressure accumulator, for injecting fuel into a plurality of combustion chambers is provided, and which is also referred to as a rail pressure, a
  • a plurality of these setpoints is calculated by the first-order control module. It is also possible for all the specified values to be calculated by the first-order control module.
  • the at least one desired value is transferred as a default value to the at least one second-order control module, which adjusts it in particular by controlling an actuator of the internal combustion engine, in particular taking into account the dynamic behavior of the component to be controlled.
  • the setpoint values mentioned here can easily be calculated by means of a model-based, static calculation, each of these setpoint values being suitable for controlling the internal combustion engine.
  • the at least one second-order control module is selected from a group consisting of a control module for controlling a metered addition of fuel and a control module for controlling a charging path.
  • control modules for the control or regulation of components, via which the operation of the
  • Adjustment processes in the charging path typically on a time scale of a few seconds, in particular from at least 1 second to at most 3 seconds, from.
  • more than one second-order control module is provided, more preferably at least two or exactly two second-order control modules, namely in particular a control module for regulation a metering of fuel and a control module for controlling or regulating a charging path.
  • charge path is here generally understood to mean a line or a line system, via which combustion air or a mixture of combustion air and fuel can be supplied to a combustion chamber of the internal combustion engine
  • metering here and in the following generally designates introduction of fuel in the charging path or in a combustion chamber, in particular either directly by direct injection or by means of a carburettor, a single-point injection or a multi-point injection.
  • At least one second-order control module is used as a control module for regulating a gas path, wherein the control module regulates, in particular, a boost pressure and a lambda value. It is possible that the control module controls a throttle and / or a compressor.
  • At least one second-order control module is used to control a boost pressure and a pressure upstream of a throttle valve.
  • the second-order control module preferably controls the throttle valve and / or a compressor.
  • the compressor may be part of an exhaust gas turbocharger or a compressor in particular.
  • At least one second-order control module is preferably provided, which controls or regulates an injection, the control module in particular for controlling or regulating a rail pressure, an injection start, and / or a
  • Energization time is set up for an injector.
  • the second-order control module is provided for controlling or controlling a gas injection in a gas engine, wherein it is preferable for
  • Gas pressure control for controlling an ignition timing, and / or for controlling a
  • At least one second-order control module is set up to regulate an injection in an internal combustion engine which is designed as a two-fuel engine.
  • the second-order control module is preferably configured to control a first rail pressure for a first fuel, to control a second rail pressure for a second fuel, to control at least one injection start for at least one of the fuels, preferably for each injection start for both fuels, for control an energization period for at least one of the fuels, in particular for controlling a current supply duration for both fuels, and / or for controlling an injected
  • Fuel quantity for at least one of the fuels preferably for both fuels.
  • An embodiment of the method is preferred in which a first second-order control module is used to regulate a gas path, in particular for controlling a boost pressure and a lambda value, wherein a second second-order control module controls an injection, in particular for regulating a rail pressure, an injection start , An energization duration and / or an injected Bremstoffmenge is used.
  • Second-order control module for controlling a charging path, in particular for controlling a boost pressure and a pressure upstream of a throttle valve is used, wherein a second second-order control module for controlling injection of fuel gas,
  • a gas pressure is used in particular for controlling a gas pressure, an ignition timing, a Bestromungsdauer and / or a injected fuel gas quantity.
  • An embodiment of the method is also preferred, which is characterized in that a first second-order control module is used to regulate a gas path, in particular a boost pressure and / or a lambda value, wherein a second second-order control module controls an injection of two Fuel is used, in particular for controlling a first rail pressure for a first fuel and / or a second rail pressure for a second fuel, for controlling a start of injection for at least one of the fuels, in particular for both fuels, for controlling a
  • Energization time for at least one fuel preferably for both fuels, and / or for controlling an injected amount of fuel for at least one of the fuels, preferably for both fuels.
  • An embodiment of the method is also preferred, which is characterized in that the at least one second-order control module carries out a prediction of achievable values for the default values, wherein it reports back the achievable values to the at least one first-order control module.
  • the achievable values of the first-order control module are used in the calculation of the default values.
  • Forecast preferably corresponds to the previously explained prediction.
  • the prognosis is particularly preferably carried out for exactly one next calculation step, in particular exactly one next calculation cycle of the static calculation of the combustion process, that is to say in particular a next combustion sequence or a next cycle of the internal combustion engine.
  • the forecast represents in particular an estimate of which default values can be reached in a next step, in particular in a next work cycle.
  • the second-order control module preferably has the property of calculating in advance which default values or target values can be achieved on the basis of a current situation of the internal combustion engine.
  • the control module sub-component (s) of the internal combustion engine
  • the currently calculable, achievable default values or setpoints provide limits for the static calculation in the first-order control module, in particular for the calculation or
  • the dynamics of the individual, controlled by second-order control modules components is taken into account and attributed to a limitation for the static model, in particular for the static combustion model.
  • requirements of individual components to dynamically variable sizes of the system of the internal combustion engine are attributed in the same way to limitations for the static model.
  • occurring dynamic effects of the system on the next combustion process by a precalculation, namely the prediction or prediction are reduced in the components to limits of the achievable setpoints for the static calculation and taken into account in this way.
  • Demands of components on dynamic quantities of the operation of the internal combustion engine are also calculated back to limitations of the static calculation.
  • An embodiment of the method is also preferred, which is characterized in that the at least one second-order control module takes into account limitations, diagnostic results and / or monitoring results in the prognosis. In particular, therefore, by the second-order control module limitations for controllers, in particular
  • the at least one second-order control module alternatively or additionally preferably transmits these limitations
  • Diagnostic results or monitoring results to the first-order control module It is thus possible for such limitations, diagnostic and / or monitoring results to be indirectly taken into account by being used by the second-order control module to calculate the achievable values for the default values. However, it is also possible for the limits, diagnostic or monitoring results to be transmitted from the second-order control module to the first-order control module and taken into account directly in the calculation of the default values by the first-order control module.
  • An embodiment of the method is preferred, which is characterized in that target values for the at least one first-order control module are given by a higher-order one
  • the superordinate coordinator module are calculated.
  • the superordinate coordinator module carries out a model-based calculation, preferably optimization, of the operation of the internal combustion engine taking into account at least one optimization target-preferably in real time. In this way it is possible to set overriding targets for the operation of the
  • Such target values are preferably nominal values for physical quantities
  • Control of actuators are controlled or regulated.
  • target values are, for example, a desired value for a nitrogen oxide concentration in the exhaust gas of the internal combustion engine, a desired value for a particle concentration in the exhaust gas of the internal combustion engine, and / or a desired value for an exhaust gas temperature.
  • a target value may also be a maximum value, for example a maximum value for an exhaust gas temperature and / or a maximum value for a consumption Fuel.
  • concentrations of pollutants in the exhaust gas may be target values for the coordinator module.
  • the at least one first-order control module preferably transmits limits or achievable values for the target values to the coordinator module. This can also include diagnostic results and / or monitoring results, in particular a
  • aging values of components or other limitations are preferably taken into account in the calculation of the target values by the coordinator module.
  • the coordinator module preferably considers a hierarchy of
  • optimization goals with the optimization goals being prioritized in particular. If any limitations, diagnostic and / or monitoring results show that not all
  • the coordinator module preferably takes into account legal requirements, in particular with regard to emissions of the internal combustion engine. It is readily possible to implement the legal requirements directly into the coordinator module.
  • An embodiment of the method is preferred, which is characterized in that at least one target value, which is calculated by the higher-order coordinator module, is selected from a group consisting of a desired nitrogen oxide concentration, a desired particle concentration or a target particle concentration. Soot concentration in the exhaust gas, a target exhaust gas temperature, and a maximum peak pressure in a combustion chamber. These may in particular be legal requirements or other requirements for the
  • An embodiment of the method is also preferred, which is characterized in that at least one exhaust gas control module for controlling and / or regulating a
  • Exhaust after-treatment component is used.
  • This may be, for example, an exhaust gas control module for controlling or regulating an SCR catalytic converter, or an exhaust gas control module for controlling or regulating a particulate filter.
  • the exhaust control module communicates directly with the coordinator module.
  • the coordinator module preferably transmits target values, in particular target values for emissions of the internal combustion engine, to at least one exhaust gas control module, which preferably has limits, diagnostic and / or monitoring results and state values, for example a momentary loading of a particulate filter
  • Aging adaptation of a SCR catalyst, a reporting defect of a reducing agent dosing, or other information directly reports back to the coordinator module, this information being used to calculate the target values in the coordinator module.
  • the at least one exhaust gas control module currently achievable exhaust gas values, in particular concentrations in the exhaust gas, determined and transmitted to the coordinator module, which determines or calculates the maximum permissible exhaust gas values from the currently achievable exhaust gas values as target values for the first-order control module ,
  • the coordinator module thus particularly preferably coordinates the operation of the
  • the at least one first-order control module can be calculated by appropriate calculation of
  • the at least one exhaust gas control module additionally or optionally also alternatively - in particular dependent from a specific operating state of the internal combustion engine - can contribute to compliance with the target values by suitable control or regulation of the exhaust aftertreatment.
  • the at least one first-order control module has, in particular, a model which is set up to calculate at least one default value for the at least one second-order control module from the target values transmitted by the coordinator module. In particular, it receives the target values of the coordinator module as input values and outputs the default values for the at least one second-order control module as output values.
  • the calculation is static, ie in particular without explicit consideration of a
  • Time dependence In particular, time-dependent effects in the calculation are
  • control device has at least one first-order control module and at least one second-order control module.
  • control device preferably also has a coordinator module and, alternatively or additionally, at least one exhaust gas control module.
  • modules are designed as separate control units, which are operatively connected to each other and together form the control device. But it is also possible that different or all modules as software or hardware modules of a
  • Control unit are formed. A combination of these possibilities is conceivable.
  • control device is set up as a central control unit of
  • Computer program product trained In this respect, a computer program product is preferred which has instructions on the basis of which one of the previously described embodiments of the method is feasible when the computer program product on a computer, in particular a
  • Control device for an internal combustion engine running.
  • the object is also achieved by providing an internal combustion engine which is set up for carrying out one of the previously described embodiments of the method, and / or which has a control device according to one of the previously described embodiments.
  • the internal combustion engine is preferably designed as a gas engine according to a first specific embodiment. According to a second preferred embodiment, it is possible that the internal combustion engine is designed as a diesel engine, in particular as a diesel engine. Furthermore, a specific embodiment of the internal combustion engine is preferred, which is designed as a dual-fuel engine, in particular as a so-called dual-fuel engine.
  • the internal combustion engine is preferably designed as a reciprocating engine. It is possible that the internal combustion engine is arranged to drive a passenger car, a truck or a commercial vehicle. In a preferred embodiment, the internal combustion engine is the drive in particular heavy land or water vehicles, such as mine vehicles, trains, the internal combustion engine in a
  • Locomotive or a railcar is used, or by ships. Also a use of Internal combustion engine for driving a defense vehicle, such as a tank, is possible.
  • An exemplary embodiment of the internal combustion engine is preferably also stationary, for example for stationary power supply in emergency operation,
  • the internal combustion engine in this case preferably drives a generator. Also a stationary application of
  • Internal combustion engine for driving auxiliary equipment such as fire pumps on oil rigs
  • an application of the internal combustion engine in the field of promoting fossil raw materials and in particular fuels, for example oil and / or gas possible.
  • the internal combustion engine is also possible to use the internal combustion engine in the industrial sector or in the field of construction, for example in a construction or construction machine, for example in a crane or an excavator.
  • the internal combustion engine is preferably designed as a diesel engine, as a gasoline engine, as a gas engine for operation with natural gas, biogas, special gas or another suitable gas.
  • the internal combustion engine is designed as a gas engine, it is suitable for use in a cogeneration plant for stationary power generation.
  • Combustion optimization in the first-order control module generates setpoint values for these lower-level components as a function of the current operating situation of the cylinders and the limitations that occur.
  • the subordinate control loops adjust the setpoint values taking into account the dynamic behavior of the respective components.
  • Each component in particular each second-order software module, preferably has the further property that it predicts which setpoint values can be reached on the basis of the current situation.
  • each component in particular each second-order software module, preferably has the further property that it predicts which setpoint values can be reached on the basis of the current situation.
  • Diagnostics and monitoring functions are generated.
  • the currently calculated, achievable setpoint values represent limits for combustion optimization. In this way, the dynamics of the individual components are taken into account and reduced to a limit for the static combustion model.
  • the static combustion optimization with the links to the components is superimposed on a coordinator module. It provides the setpoint generation for the static
  • the coordinator module also stores a hierarchy of optimization targets. If occurring limitations lead to not all optimization goals being met, the component of the combustion optimization, ie in particular the first-order control module, will report this back to the coordinator module analogously to the other components, in particular to the second-order control modules and exhaust control modules , In such a case, optimization targets can then be weighted less or switched off completely.
  • Target values for the operation of the internal combustion engine are preferred in the form of
  • the target values are transparent and can be formulated in particular directly to the sizes described in a legal requirement. It is not necessary to formulate these target values indirectly via auxiliary quantities, in particular by means of correction maps.
  • the dependencies of the engine management can be mapped easier, the complexity of the engine system can be handled easier than before.
  • This procedure transforms the originally dynamic optimization problem to a static optimization for the combustion process, which is much easier to solve.
  • the implementation of the method on a standard controller is thus possible.
  • control device and / or the internal combustion engine is / are preferably characterized by at least one feature that is caused by at least one step of a preferred embodiment of the method according to the invention or preferred embodiment.
  • the method preferably has at least one method step which is caused by at least one feature of a preferred embodiment of the control device or of the internal combustion engine according to the invention or a preferred embodiment.
  • Figure 1 is a schematic representation of a first embodiment of the method and a first embodiment of an internal combustion engine
  • Figure 3 is a schematic representation of further embodiments of a
  • Fig. 1 shows a schematic representation of an embodiment of an internal combustion engine 1, which has a control device 3, which is adapted to carry out a
  • the control device 3 has in particular a first-order control module 5 and at least one second-order control module, here two second-order control modules 7, 9, the at least one first-order control module 5 specifying values for the second-order control modules 7, 9 by means of a model-based calculation, in particular optimization, namely first default values 11 for the first second-order control module 7 and second default values 13 for the second second-order control module 9.
  • the default values 11, 13 are determined by the second-order control modules 7, 9 for controlling and / or regulating at least a function of the internal combustion engine 1 is used, wherein they are used in particular as Solloder control values for controlling at least one actuator, or wherein the default values 11, 13 are converted into control values for controlling at least one actuator.
  • a separation of calculation steps is carried out in such a way that a static calculation of a first process of the internal combustion engine 1 is carried out by the first-order control module 5, whereby a dynamic calculation of other processes of the internal combustion engine 1 is carried out by the second-order control modules 7, 9 becomes.
  • a time scale separation is provided such that the process statically calculated in the first-order control module 5 runs on a first, smaller time scale that is smaller than a second, larger time scale, with the processes calculated in the second-order control modules 7, 9 run on the second, larger time scale or on different time scales, but each larger than the first, smaller time scale.
  • the time scales for the processes calculated in the second-order control modules 7, 9 are preferably at least two orders of magnitude larger than the time scale on which the process statically calculated by the first-order control module 5 expires.
  • the first-order control module 5 performs a model-based, static calculation, preferably optimization, of a combustion process of the internal combustion engine 1.
  • an explicitly time-independent combustion model is used to calculate the combustion process.
  • the second-order control modules 7, 9 preferably perform a prediction of achievable values for the default values 11, 13 and transmit these achievable values to the first-order control module 5.
  • first limits 7 are applied to the control module by the first second-order control module Order 5 is transmitted, wherein the first second control module 9 currently achievable values 17 are returned to the first-order control module 5.
  • the second second-order control module 9 also receives from a first
  • Diagnostic component 19 first diagnostic results 21, which preferably takes into account in the prognosis of the achievable values 17.
  • the prognosis is preferably always carried out for one calculation step in advance, ie in particular achievable values and / or limits for a next one
  • the control device 3 also has a higher-level coordinator module 23, which first target values 25 for the control module subordinate to the coordinator module 23
  • the higher-level coordinator module 23 carries out a model-based calculation, in particular optimization of the operation of the internal combustion engine 1
  • the coordinator module 23 In the exemplary embodiment illustrated here, the coordinator module 23
  • At least one exhaust gas control module is also provided, specifically two exhaust control modules 29, 31 which serve to control or regulate an exhaust aftertreatment component, wherein the exhaust control modules 29, 31 are directly operatively connected to the coordinator module 23 so they communicate directly with it.
  • the coordinator module 23 transmits, in particular, second target values 33 to the first exhaust gas control module 29, this second boundary 35 and / or first status messages 37 being transmitted to the coordinator module 23.
  • the second exhaust gas control module 31 transmits a second status message 39 and an exhaust gas setpoint value 41 for the most efficient exhaust gas aftertreatment to the coordinator module 23.
  • the first-order control module 5 is set up to carry out a model-based, static calculation of a combustion process of the internal combustion engine 1, in particular as a component for combustion optimization. In doing so, it carries out calculations of desired values on the basis of a combustion model and of a static optimizer, taking into account, in particular, the first limits 15 and the achievable values 17. It is possible that the first order control module 5 itself has limitations implemented directly in it. In particular, it is possible that the first-order control module 5 intrinsically limits for a maximum
  • Combustion chamber pressure in particular a maximum cylinder peak pressure for the
  • the first second-order control module 7 is in the exemplary embodiment illustrated here designed to control or regulate an injection, in particular as
  • Injection component or injection module has regulators for regulating a rail pressure of a common rail injection system, an injection start and / or a
  • the second control module second order 9 is preferably configured as a control module for controlling or controlling a charging path, here an air path, which is in particular adapted for supplying combustion air into a combustion chamber of the internal combustion engine 1.
  • the second control module second order 9 in particular an air path controller 43, which is adapted to control components of the air path, for example, to control or control a throttle position, and preferably a turbocharger model 45, which is adapted to control or regulation of an exhaust gas turbocharger.
  • the second second-order control module 9 preferably has a calculation component 47 which is set up for calculating achievable values in the air path, for example achievable values for a boost pressure and / or a combustion air-fuel ratio, ie a lambda value.
  • the calculation component 47 is also preferably configured for the evaluation of diagnostic functions which are assigned to the second control module of second order 9.
  • the second second-order control module 9 is in particular operatively connected to the first diagnostic component 19, which receives first measured values 49, for example measured values of a flap position of a throttle flap, and from this detects, for example, a throttle flap defect. This can be used as a diagnostic result 21 to the second
  • Control module second order 9 are reported, the defect preferably by the Calculation component 47 is evaluated. In particular, the calculated
  • Calculation component 47 on the basis of the detected defect the at least one achievable value 17, in particular an achievable boost pressure and / or an achievable lambda value.
  • the first-order control module 5 calculates as first default values 11 for the first one
  • Second-order control module 7 preferably setpoint values for a rail pressure, a start of injection and an amount of fuel to be injected. It receives from the first control module second order 7 as limits 15 preferably a minimum rail pressure and / or a maximum rail pressure reported back. Furthermore, the first-order control module 5 preferably calculates, as default values for the second second-order control module 9, setpoint values for a boost pressure and a lambda value, which it transmits as second default values 13 to the second second-order control module 9. It receives from the second control module second order 9 as achievable values 17 preferably minimum values for the boost pressure and the lambda value and / or maximum achievable values for the boost pressure and the lambda value.
  • the coordinator module 23 calculates, as first target values 25 for the first-order control module 5, preferably a desired nitrogen oxide concentration in the exhaust gas, a desired soot concentration in the exhaust gas, and a desired exhaust gas temperature. In addition, it also preferably calculates a maximum exhaust gas temperature as the first target value 25.
  • the coordinator module 23 receives from the first-order control module 5 information about the accessibility of the target values predetermined by the coordinator module 23. This information 51, which of the
  • First order control module 5 - preferably based on the limits 15 and the achievable values 17 - is again used by the coordinator module 23 to calculate new target values 25.
  • the coordinator module 23 is preferably also operatively connected to a speed controller 53 to which it preferably transmits a speed 55, which calculates it in particular on the basis of the requirements 27.
  • the speed controller 53 calculates from the
  • the requirements 27 preferably include requirements for a rotational speed and / or a torque for the internal combustion engine 1.
  • the coordinator module 23 are preferably statutory requirements for nitrogen oxide and / or particulate emissions the internal combustion engine 1 implemented. These legal requirements are converted by the coordinator module 23 into target values 25, 33.
  • the coordinator module 23 preferably has a plurality of optimization targets, wherein these optimization targets may vary in time or may conflict with one another. Such optimization targets relate in particular to a desired nitrogen oxide concentration, a desired soot concentration and / or a desired exhaust gas temperature. A nominal consumption or a maximum consumption of fuel are also possible as target values. These optimization goals can, in particular taking into account a maximum turnover on a
  • Exhaust after-treatment element in particular an SCR catalyst, a loading of a particulate filter, the legal requirements, a current operating state of
  • the coordinator module 23 preferably has a hierarchy of the optimization targets, by means of which it can decide which one
  • the coordinator module 3 takes into account when selecting the
  • the first exhaust gas control module 29 is set up as a control module for controlling an SCR catalytic converter. In this case, it is in particular configured to carry out an emission control, an aging adaptation for the SCR catalytic converter and / or to take account of dynamic limits thereof.
  • the first exhaust gas control module 29 receives by the coordinator module 23, in particular, a desired nitrogen oxide concentration in the exhaust gas downstream of the SCR catalytic converter as a second target value 33.
  • the first exhaust gas control module 29 are as input variables an exhaust gas temperature before 59 and / or after the SCR catalyst and a nitrogen oxide concentration 61 in the exhaust before and / or after the SCR catalyst. Especially with this
  • Input variables calculated by the first exhaust gas control module 29 - preferably based on a map, in particular in dependence on an exhaust gas temperature and / or a Exhaust gas mass flow - a maximum conversion of nitrogen oxides, which it transmits to the coordinator module 23 as second boundaries 35. Additionally or alternatively, it preferably calculates, in particular based on the exhaust gas temperature 59 and the nitrogen oxide concentration 61, a maximum exhaust gas temperature which it transmits to the coordinator module 23 as the first status message 37.
  • the first exhaust gas control module 29 is preferably provided with a second
  • Diagnosis component 63 operatively connected, in which second measured values 65 received.
  • the second diagnostic component 63 determines, in particular, malfunctions or defects of an SCR catalytic converter, in particular of the SCR catalytic converter itself and / or of a metering device for metering in a reducing agent, for example a urea-water solution.
  • the second exhaust gas control module 31 is here in particular designed for control or
  • Regulation of a particulate filter in particular, it has a loading model, based on which it can calculate a load of the particulate filter. Furthermore, it preferably has a calculation model for calculating requirements for a thermal management of the particulate filter.
  • the second exhaust gas control module 31 preferably receives a differential pressure 69 that drops across the particulate filter and a temperature 71 of the particulate filter.
  • the second exhaust gas control module 31 calculates therefrom in particular a loading state, which it reports back to the coordinator module 23 as a second status message 39.
  • it preferably calculates a target exhaust gas temperature, which transmits as exhaust gas setpoint value 41 to the coordinator module 23.
  • the coordinator module 23 again takes into account the second limits 35, the first status message 37, the exhaust gas setpoint value 41 and the second status message 39 in the case of
  • the coordinator module 23 thus transmits, in particular, target nitrogen oxide concentrations both to the first-order control module 5 and to the first exhaust-gas control module 29.
  • the coordinator module 23 is arranged to balance between a internal cylindrical nitrogen oxide reduction and a nitrogen oxide reduction by means of a
  • Exhaust aftertreatment by the exhaust gas control module can then, in particular, transmit different setpoint values for the desired nitrogen oxide concentration to the first first-order control module 5 and the first exhaust-gas control module 29 in order to reduce the nitrogen oxide emissions in the current operating state and the current requirements 27 appropriately divided into intra-cylindrical measures on the one hand, which are taken into account by the combustion optimization in the first-order control module 5, and exhaust treatment measures on the other hand, which are performed by the exhaust gas control module 29.
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of an exemplary embodiment of a second-order control module, for example for the first second-order control module 7.
  • the embodiment explained here in conjunction with FIG. 2 also applies to the second one
  • Second order control module 9 and / or for any other or additional
  • the second-order control module 7 is preferably a software module or a so-called component of a software. However, it can also be a separate, separate control unit, ie in particular a hardware component.
  • FIG. 2 serves, in particular, to explain the basic mode of operation of such a second-order control module.
  • the second-order control module 7 receives default values 11, in particular from a first-order control module, which is not shown in FIG. Furthermore, it preferably receives information 73 from a diagnostic function, as is the case for example for the second second-order control module 9 shown in FIG. 1 in the form of the diagnostic results 21 from the first diagnostic component 19.
  • the second-order control module 7 has a controller 75, which controls the by the
  • Second-order control module 7 controlled sub-device or component of the
  • Internal combustion engine for example, a charging path or a dosing, to the setpoint values specified from the outside, namely the default values 11, controls.
  • a second-order control module 7 shown here has a
  • Error evaluation function 77 which detects errors occurring in particular in actuated by the controller 75, based on the information 73. Furthermore, the embodiment of the second-order control module 7 shown here has a Calculation component 79 for calculating achievable values, ie for the calculation of values that are actually achievable for the default values 11 in the current operating situation. This function corresponds in particular to that shown in FIG.
  • the second-order control module 7 calculates currently attainable default values 81, which are, for example, the limits 15 and / or the achievable values 17 according to FIG.
  • the second-order control module 7 preferably returns the achievable default values 81 in the same size in which the default values 11 are also described.
  • the calculated achieved default values 81 is preferably also a parameterization of the controller 75, in particular a PID controller, a.
  • the controller parameterization has influence on the default values 11, which can actually be reached in a next step.
  • the achievable default values 81 are also
  • Fig. 3 shows a schematic representation of further embodiments of the
  • exhaust gas aftertreatment and preferably also no exhaust gas recirculation may not be provided. Accordingly, the exhaust control modules 29, 31 are missing here. It is nevertheless possible to provide exhaust gas aftertreatment and / or recirculation.
  • Embodiments of the internal combustion engine 1 be formed: In a preferred, second embodiment of the internal combustion engine 1, this is preferably designed as a gas engine, in particular as a mixture-compressing gas engine.
  • the embodiment differs from the first embodiment shown in Figure 1 in that the speed controller 53 as the output value is not a target injection quantity, but rather a target torque 83 to the first-order control module 5 transmitted.
  • the first-order control module 5 transmits, as first default values 11 in the second exemplary embodiment according to FIG. 3, to the first second-order control module 7 setpoint values for a fuel gas pressure, an ignition point, and a fuel gas quantity to be introduced into a charge path before compressors.
  • the first second-order control module 7 comprises a regulator for the fuel gas pressure, an ignition point, and preferably an energization duration of a fuel gas metering device. It furthermore preferably comprises components for the feedback of a state of the fuel gas pressure regulator and preferably also for taking into account component limits, for example a maximum
  • Fuel gas pressure, and a maximum temperature for the fuel gas metering device As limits 15, the first second-order control module 7 preferably reports back to the first-order control module 5 a minimum fuel gas pressure and / or a maximum fuel gas pressure.
  • the second second order control module 9 is the second one described herein
  • Charging paths in particular for supplying a compressed combustion air-fuel gas mixture in a combustion chamber of the internal combustion engine 1, set up. It shows
  • Default values 13 from the first-order control module 5 Receives setpoints for a boost pressure and a pressure upstream of a throttle valve. It communicates as achievable values 17 values preferably achievable to the first-order control module 5 for a minimum charge pressure and a minimum pressure upstream of the throttle valve, and / or for a maximum charge pressure and a maximum pressure upstream of the throttle valve.
  • Fuel in particular for a diesel fuel as the first fuel and for a
  • Ottobrennstoff as the second fuel a setpoint for a start of injection for the first Fuel and / or the second fuel, as well as fuel quantities to be injected for the first and / or the second fuel.
  • the first second-order control module 7 is preferably used to control or control an injection of the two different fuels, wherein it preferably has a rail pressure regulator, an injection start regulator and a controller for the energization of respective injectors or a Mehrstoffinjektors for each fuel. It also includes a component for reporting a state of the various regulators, and is further configured to account for component boundaries, such as maximum rail pressures, as well as maximum injector temperatures. It transmits preferably as limits 15 at least a minimum rail pressure for the first and / or the second fuel, and alternatively or additionally, a maximum rail pressure for the first and / or for the second fuel.
  • the second control module second order 9 is preferably formed, as has already been explained in connection with the first embodiment of Figure 1, ie as a control module for controlling or regulating an air path, wherein it - as also in
  • Embodiment of the internal combustion engine 1 also the first diagnostic component 19, which transmits the first diagnostic results 21 on the basis of the first measured values 49, in which case in particular flap defects, particularly preferably defects of a throttle flap in the
  • Control module second order 9 can be used to calculate the achievable values 17.
  • Internal combustion engine 1 is a little computation-intensive and very efficient implementation of a total electronic engine management is created, in particular one
  • Combustion optimization in the control module first order 5 computing time and computing power can be saved.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1), wobei wenigstens ein Steuermodul erster Ordnung (5) Vorgabewerte (11,13) für wenigstens ein Steuermodul zweiter Ordnung (7,9) berechnet, wobei die Vorgabewerte (11,13) durch das wenigstens eine Steuermodul zweiter Ordnung (7,9) zur Steuerung und/oder Regelung der Brennkraftmaschine (1) verwendet werden, wobei eine Separation von Berechnungsschritten derart durchgeführt wird, dass durch das wenigstens eine Steuermodul erster Ordnung (5) eine statische Berechnung von wenigstens einem ersten Prozess der Brennkraftmaschine (1) durchgeführt wird, wobei durch das wenigstens eine Steuermodul zweiter Ordnung (7,9) eine dynamische Berechnung von wenigstens einem zweiten Prozess der Brennkraftmaschine (1) durchgeführt wird.

Description

BESCHREIBUNG Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, Steuereinrichtung für eine Brennkraftmaschine und Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, ein Steuergerät für eine Brennkraftmaschine und eine Brennkraftmaschine.
Systeme zur Regelung oder Steuerung des Betriebs von Brennkraftmaschinen weisen in der Regel verschiedene Funktionsmodule auf, wobei ein Betrieb des Gesamtsystems über ein elektronisches Motor-Management geführt wird. Dabei ist es möglich, dass Komponenten durch einzelne Regler separat geregelt werden. Abhängigkeiten zwischen den einzelnen Komponenten, Funktionen zum Schutz der Komponenten und komponentenübergreifende Funktionen sind wenig transparent in aufwendigen Kennfeld- Strukturen, insbesondere mit einer Vielzahl von Korrekturkennfeldern für bestimmte Umwelt- und/oder Umgebungsbedingungen sowie
Betriebspunkte abgebildet. Konzepte für modellbasierte, komponentenübergreifende
Regelungsstrategien sind dagegen kaum auf Standard-Steuergeräten für Brennkraftmaschinen umsetzbar. Aufgrund der Komplexität solcher Modelle ergeben sich nämlich
Rechenanforderungen, insbesondere in Hinblick auf eine dynamische Optimierung des Betriebs der Brennkraftmaschine, die durch Standard-Steuergeräte nicht in Echtzeit bewältigt werden können. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer
Brennkraftmaschine, eine Steuereinrichtung für eine Brennkraftmaschine, sowie eine
Brennkraftmaschine zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.
Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der
Beschreibung.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zum Betreiben einer
Brennkraftmaschine geschaffen wird, bei welchem wenigstens ein Steuermodul erster Ordnung Vorgabewerte für wenigstens ein - insbesondere dem Steuermodul erster Ordnung untergeordnetes - Steuermodul zweiter Ordnung - vorzugsweise mittels einer modellbasierten Berechnung, insbesondere Optimierung - berechnet, wobei die Vorgabewerte durch das wenigstens eine Steuermodul zweiter Ordnung zur Steuerung und/oder Regelung von wenigstens einer Funktion, beispielsweise einer Eindosierung von Brennstoff oder einem Ladepfad, der Brennkraftmaschine verwendet werden, wobei eine Separation von Berechnungsschritten derart durchgeführt wird, dass durch das wenigstens eine Steuermodul erster Ordnung eine statische Berechnung, insbesondere Optimierung, von wenigstens einem ersten Prozess der
Brennkraftmaschine durchgeführt wird, wobei durch das wenigstens eine Steuermodul zweiter Ordnung eine dynamische Berechnung von wenigstens einem zweiten Prozess der
Brennkraftmaschine durchgeführt wird. Die Aufteilung der Berechnungsschritte auf die
Steuermodule erster und zweiter Ordnung erlaubt eine schnellere und weniger rechenintensive Durchführung der nötigen Rechenschritte zum Betreiben der Brennkraftmaschine, insbesondere weil wenigstens ein hierfür geeigneter, erster Prozess statisch und somit explizit ohne
Zeitabhängigkeit betrachtet werden kann. Somit kann die mathematisch aufwendige, dynamische Berechnung oder Optimierung des Betriebs der Brennkraftmaschine auf ein statisches
Optimierungsproblem für das wenigstens eine Steuermodul erster Ordnung zurückgeführt werden, das deutlich einfacher zu lösen ist. Das dynamische Verhalten der Brennkraftmaschine wird dabei nicht vernachlässigt, sondern durch das wenigstens eine Steuermodul zweiter
Ordnung berücksichtigt, wobei erst die Aufteilung der verschiedenen Prozesse auf die verschiedenen Steuermodule es ermöglicht, solche Prozesse, die explizit ohne Zeitabhängigkeit mit hinreichender Genauigkeit berechnet werden können oder die keine Zeitabhängigkeit aufweisen, statisch zu berechnen, wobei die Dynamik des Systems durch das wenigstens eine Steuermodul zweiter Ordnung nur für solche Prozesse berücksichtigt wird, bei denen dies vom Rechenaufwand her möglich und/oder nötig ist. Insgesamt kann so ein erheblicher Teil des
Rechenaufwands für eine modellbasierte Berechnung, insbesondere Optimierung, des Betriebs der Brennkraftmaschine eingespart werden, sodass das Verfahren auf einem Standard- Steuergerät für eine Brennkraftmaschine in Echtzeit durchgeführt werden kann. Da die statische Berechnung in dem wenigstens einen Steuermodul erster Ordnung modellbasiert erfolgt, bedarf es keiner Vielzahl intransparenter und wenig verständlicher Kennfelder, insbesondere keiner Vielzahl von Korrekturkennfeldern zur Berücksichtigung von Umwelt- und/oder
Umgebungsbedingungen, oder für eine detaillierte Berücksichtigung einer Vielzahl von
Betriebspunkten der Brennkraftmaschine. Unter einem„Steuermodul" wird hier und im Folgenden eine abgegrenzte oder abgrenzbare Steuerstruktur verstanden, welche Eingaben empfangen und Ausgaben - vorzugsweise nach deren Berechnung in Abhängigkeit von den Eingaben - ausgeben kann. Vorzugsweise weist eine solche Steuerstruktur Schnittstellen in Form von definierten Eingangsgrößen und definierten Ausgabegrößen auf. Bei einem solchen Steuermodul kann es sich um ein eigenständiges
Steuergerät, insbesondere mit definierten Schnittstellen, handeln. Es ist aber auch möglich, dass ein solches Steuermodul eine modulare Struktur eines übergeordneten Steuergeräts, insbesondere ein Software- oder Hardwaremodul eines solchen Steuergeräts, darstellt. Bevorzugt berechnet das wenigstens eine Steuermodul erster Ordnung Sollwerte für Stellgrößen als Vorgabewerte für das wenigstens eine Steuermodul zweiter Ordnung. Das wenigstens eine Steuermodul zweiter Ordnung steuert oder regelt vorzugsweise wenigstens eine Stellgröße der Brennkraftmaschine anhand der durch das Steuermodul erster Ordnung berechneten
Vorgabewerte, insbesondere anhand von Sollwerten für die Stellgröße. Besonders bevorzugt ist das wenigstens eine Steuermodul zweiter Ordnung als Regler ausgebildet oder weist die
Funktion eines Reglers auf. Eine dynamische Berechnung von wenigstens einem zweiten
Prozess der Brennkraftmaschine wird dann durch das Steuermodul zweiter Ordnung
insbesondere insoweit durchgeführt, als dieses eine Regelung für eine Stellgröße der
Brennkraftmaschine anhand eines von dem Steuermodul erster Ordnung vorgegebenen
Vorgabewerts - insbesondere auf einen vorgegebenen Sollwert - durchführt. Alternativ oder zusätzlich führt das Steuermodul zweiter Ordnung vorzugsweise eine Prädiktion einer zeitlichen Entwicklung des Betriebs der Brennkraftmaschine - insbesondere für einen nächsten
Rechenschritt oder Rechenzyklus in dem ersten Steuermodul - durch, wobei es aus dieser Prädiktion insbesondere Begrenzungen für die Vorgabewerte des Steuermoduls erster Ordnung erhält. Dabei kann es sich um im Betrieb der Brennkraftmaschine insbesondere aus
physikalischen Gründen auftretende Stellerbegrenzungen, beispielsweise Klappenanschläge, um auftretende Fehler, die insbesondere durch Diagnose- und/oder Überwachungsfunktionen ermittelt werden, oder um prinzipielle, physikalische Begrenzungen handeln. Diese
Begrenzungen übermittelt das Steuermodul zweiter Ordnung vorzugsweise an das Steuermodul erster Ordnung, welches die Begrenzungen bei der Berechnung der Vorgabewerte berücksichtigt.
Als Steuermodul zweiter Ordnung wird bevorzugt eine Komponente mit eigenem, unterlagertem Regelkreis verwendet. Das Steuermodul erster Ordnung generiert Sollwerte für diese
unterlagerte Komponente in Abhängigkeit von der aktuellen Betriebssituation der Brennkraftmaschine und von auftretenden Begrenzungen. Durch den unterlagerten Regelkreis werden diese Sollwerte eingeregelt, insbesondere unter Berücksichtigung des dynamischen Verhaltens der jeweiligen Komponente - vorzugsweise durch den Regelmechanismus und/oder durch die Prädiktion.
Dass die Vorgabewerte durch das wenigstens eine Steuermodul zweiter Ordnung zur Steuerung und/oder Regelung von wenigstens einer Funktion der Brennkraftmaschine verwendet werden, spricht insbesondere an, dass die Vorgabewerte in Stellwerte zur Ansteuerung von wenigstens einem Stellorgan der Brennkraftmaschine umgesetzt werden. Berechnet beispielsweise das Steuermodul erster Ordnung einen Vorgabewert für einen Ladedruck, kann dieser Vorgabewert durch das Steuermodul zweiter Ordnung umgesetzt werden in eine Klappenposition für eine Drosselklappe, welche dann durch das Steuermodul zweiter Ordnung angesteuert wird.
Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass durch das wenigstens eine Steuermodul erster Ordnung eine statische Berechnung, insbesondere Optimierung, eines ersten Prozesses der Brennkraftmaschine durchgeführt wird, wobei der erste Prozess auf einer ersten, kleineren Zeitskala abläuft, wobei durch das wenigstens eine
Steuermodul zweiter Ordnung eine dynamische Berechnung von wenigstens einem zweiten Prozess der Brennkraftmaschine durchgeführt wird, der auf einer zweiten, größeren Zeitskala abläuft. Die Aufteilung verschiedener Prozesse auf eine statische Berechnung einerseits und eine dynamische Berechnung andererseits erfolgt also insbesondere anhand einer
Zeitskalenseparation. Dabei kann ein Prozess, der auf einer kleineren Zeitskala, insbesondere sehr schnell, abläuft, statisch behandelt werden, ohne dass deswegen eine relevante Genauigkeit und Präzision zur Steuerung der Brennkraftmaschine verloren geht. Insbesondere für im Betrieb der Brennkraftmaschine quasi-instantane Prozesse bedarf es keiner explizit zeitabhängigen Berechnung, um eine hinreichende Rechengenauigkeit zu erzielen. Solche Prozesse können vielmehr auf der Grundlage eines statischen Modells berechnet werden. Prozesse, die auf einer größeren Zeitskala ablaufen, können dagegen ohne zu hohen Rechenaufwand auch dynamisch berechnet werden, insbesondere durch eine explizit zeitabhängige Regelung und/oder eine Prädiktion eines Verhaltens der Brennl aftmaschine, insbesondere zur Ermittlung von
Begrenzungen.
Vorzugsweise unterscheiden sich die erste, kleinere Zeitskala und die zweite, größere Zeitskala um wenigstens zwei Größenordnungen. Besonders bevorzugt betrifft die erste, kleinere Zeitskala Prozesse, die innerhalb von mindestens 1 Millisekunde bis höchstens 50 Millisekunden, insbesondere von ungefähr 30 Millisekunden ablaufen. Die zweite, größere Zeitskala betrifft insbesondere Prozesse, die innerhalb von mindestens 1 Sekunde bis höchstens einigen Minuten, insbesondere bis höchstens 1 Minute, oder auch bis höchstens 3 Sekunden, ablaufen.
Selbstverständlich können auch noch langsamere Prozesse ohne weiteres und insbesondere ohne erheblichen Rechenaufwand dynamisch betrachtet werden. Wesentlich ist, dass die dynamische Betrachtung von Prozessen der Brennkraftmaschine beschränkt wird auf vergleichsweise langsame Prozesse, wobei im Übrigen für schnelle und insbesondere quasi-instantane Prozesse auf eine Betrachtung der expliziten Zeitabhängigkeit verzichtet und diese vielmehr statisch berechnet werden. Dadurch ist es möglich, in großem Umfang Rechenaufwand und Rechenzeit einzusparen, was überhaupt erst eine entsprechende modellbasierte Berechnung und Steuerung des Betriebs einer Brennkraftmaschine in Echtzeit auf einem Standard-Steuergerät erlaubt.
Es wird insbesondere eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass das wenigstens eine Steuermodul erster Ordnung eine modellbasierte, statische Berechnung, insbesondere Optimierung, eines Verbrennungsprozesses der Brennkraftmaschine durchführt. Dabei eignet sich der Verbrennungsprozess, der insbesondere in wenigstens einem Brennraum der Brennkraftmaschine stattfindet, besonders für eine statische Berechnung, weil er auf einer Zeitskala abläuft, die viel kleiner, insbesondere zumindest zwei Größenordnungen kleiner ist, als eine Zeitskala, auf der andere für den Betrieb der Brennkraftmaschine relevante Prozesse ablaufen. Insbesondere erfolgt die Verbrennung in dem wenigstens einen Brennraum typischerweise innerhalb von wenigen zig Millisekunden, insbesondere innerhalb von ungefähr 30 Millisekunden. Sie kann daher als statischer Prozess in Abhängigkeit von Eingangsgrößen für den Brennraum, insbesondere für einen Zylinder einer als Hubkolbenmotor ausgebildeten Brennkraftmaschine, modelliert werden. Dieses Vorgehen ist dadurch gerechtfertigt, dass der Verbrennungsprozess an sich in Abhängigkeit von Betriebsbedingungen der
Brennkraftmaschine, insbesondere von den Eingangsgrößen des Brennraums, statisch ist. Es ist bevorzugt ein mathematisches Modell des Verbrennungsprozesses in das Steuermodul erster Ordnung implementiert, welches abhängig von wenigstens einer Eingangsgröße statisch, das heißt zeitunabhängig, wenigstens eine Ausgangsgröße berechnet. Vorzugsweise gibt das Modell als Ausgangsgröße wenigstens einen Vorgabewert für das wenigstens eine Steuermodul zweiter Ordnung als Ergebnis zurück. Bei der statischen Betrachtung des Verbrennungsprozesses handelt es sich insbesondere nicht um eine Vereinfachung, sondern um ein Vorgehen, welches physikalisch gerechtfertigt ist. Dabei geben die Bedingungen am Ein- und Auslass eines Brennraums sowie die zugeführte Brennstoffmenge die Eigenschaften der Verbrennung vor. Diese Größen selbst werden dynamisch betrachtet, die Verbrennung ist allerdings in
Abhängigkeit von diesen Größen ein statischer Prozeß. Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Steuermodul erster Ordnung als Vorgabewert wenigstens einen Sollwert berechnet, der ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus einem Brennstoffdruck, insbesondere einem Druck in einem gemeinsamen Hochdruckspeicher, der zur Eindüsung von Brennstoff in eine Mehrzahl von Brennräumen vorgesehen ist, und der auch als Raildruck bezeichnet wird, einem
Einspritzbeginn, einer Einspritzdauer, einem Zündzeitpunkt, einer in einen Brennraum oder einen Ladepfad einzubringenden Brennstoffmasse oder -menge, einem Ladedruck, und einem Verbrennungsluft-Brennstoff- Verhältnis, das auch als Lambda-Wert bezeichnet wird. Bevorzugt wird durch das Steuermodul erster Ordnung eine Mehrzahl dieser Sollwerte berechnet. Es ist auch möglich, dass alle genannten Sollwerte durch das Steuermodul erster Ordnung berechnet werden. Der wenigstens eine Sollwert wird als Vorgabewert an das wenigstens eine Steuermodul zweiter Ordnung übergeben, welches diesen dann insbesondere durch Ansteuerung eines Stellers der Brennkraftmaschine - insbesondere unter Berücksichtigung des dynamischen Verhaltens der zu regelnden Komponente - einregelt. Die hier genannten Sollwerte können ohne weiteres mittels einer modellbasierten, statischen Berechnung berechnet werden, wobei jeder dieser Sollwerte zur Ansteuerung der Brennkraftmaschine geeignet ist.
Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass das wenigstens eine Steuermodul zweiter Ordnung ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus einem Steuermodul zur Regelung einer Eindosierung von Brennstoff und einem Steuermodul zur Steuerung oder Regelung eines Ladepfades. Hierbei handelt es sich um Steuermodule zur Steuerung oder Regelung von Komponenten, über welche unmittelbar der Betrieb der
Brennkraftmaschine eingestellt werden kann. Die in diesen Modulen ablaufenden Prozesse laufen auf Zeitskalen ab, die sehr viel größer sind, insbesondere um mindestens zwei
Größenordnungen, als die Zeitskala des Verbrennungsprozesses. Beispielsweise laufen
Einstellprozesse in dem Ladepfad typischerweise auf einer Zeitskala von wenigen Sekunden, insbesondere von mindestens 1 Sekunde bis höchstens 3 Sekunden, ab. Vorzugsweise sind mehr als ein Steuermodul zweiter Ordnung vorgesehen, besonders bevorzugt mindestens zwei oder genau zwei Steuermodule zweiter Ordnung, nämlich insbesondere ein Steuermodul zur Regelung einer Eindosierung von Brennstoff sowie ein Steuermodul zur Steuerung oder Regelung eines Ladepfads.
Unter dem Begriff„Ladepfad" wird hier allgemein eine Leitung oder ein Leitungssystem verstanden, über welche/ welches einem Brennraum der Brennkraftmaschine Verbrennungsluft oder ein Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch zuführbar ist. Der Begriff„Eindosierung" bezeichnet hier und im Folgenden generell ein Einbringen von Brennstoff in den Ladepfad oder in einen Brennraum, insbesondere entweder direkt mittels Direkteinspritzung oder mittels eines Vergasers, einer Einzelpunkteinspritzung oder einer Mehrpunkteinspritzung.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass wenigstens ein Steuermodul zweiter Ordnung als Steuermodul zur Regelung eines Gaspfads verwendet wird, wobei das Steuermodul insbesondere einen Ladedruck und einen Lambda-Wert regelt. Dabei ist es möglich, dass das Steuermodul eine Drosselklappe und/oder einen Verdichter ansteuert.
Es ist auch möglich, dass wenigstens ein Steuermodul zweiter Ordnung zur Regelung eines Ladedrucks und eines Drucks stromaufwärts einer Drosselklappe verwendet wird. Dabei steuert das Steuermodul zweiter Ordnung vorzugsweise die Drosselklappe und/oder einen Verdichter an.
Der Verdichter kann hierbei insbesondere Teil eines Abgasturboladers oder eines Kompressors sein.
Alternativ oder zusätzlich ist bevorzugt wenigstens ein Steuermodul zweiter Ordnung vorgesehen, welches eine Einspritzung steuert oder regelt, wobei das Steuermodul insbesondere zur Steuerung oder Regelung eines Raildrucks, eines Spritzbeginns, und/oder einer
Bestromungsdauer für einen Injektor eingerichtet ist.
Es ist auch möglich, dass das Steuermodul zweiter Ordnung zur Steuerung oder Regelung einer Gaseindüsung bei einem Gasmotor vorgesehen ist, wobei es vorzugsweise zur
Gasdruckregelung, zur Regelung eines Zündzeitpunkts, und/oder zur Regelung einer
Bestromungsdauer einer Gaseindüseinrichtung verwendet wird. Es ist auch möglich, dass wenigstens ein Steuermodul zweiter Ordnung eingerichtet ist zur Regelung einer Einspritzung bei einer Brennkraftmaschine, die als Zweistoffinotor ausgebildet ist. Dabei ist das Steuermodul zweiter Ordnung vorzugsweise eingerichtet zur Regelung eines ersten Raildrucks für einen ersten Brennstoff, zur Regelung eines zweiten Raildrucks für einen zweiten Brennstoff, zur Regelung wenigstens eines Spritzbeginns für wenigstens einen der Brennstoffe, vorzugsweise für je einen Spritzbeginn für beide Brennstoffe, zur Regelung einer Bestromungsdauer für wenigstens einen der Brennstoffe, insbesondere zur Regelung einer Bestromungsdauer für beide Brennstoffe, und/oder zur Regelung einer eingespritzten
Brennstoffmenge für wenigstens einen der Brennstoffe, vorzugsweise für beide Brennstoffe.
Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, bei welchem ein erstes Steuermodul zweiter Ordnung zur Regelung eines Gaspfads verwendet wird, insbesondere zur Regelung eines Ladedrucks und eines Lambdawerts, wobei ein zweites Steuermodul zweiter Ordnung zur Regelung einer Einspritzung, insbesondere zur Regelung eines Raildrucks, eines Spritzbeginns, einer Bestromungsdauer und/oder einer eingespritzten Brermstoffmenge, verwendet wird.
Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, bei welcher ein erstes
Steuermodul zweiter Ordnung zur Regelung eines Ladepfads, insbesondere zur Regelung eines Ladedrucks sowie eines Drucks stromaufwärts einer Drosselklappe, verwendet wird, wobei ein zweites Steuermodul zweiter Ordnung zur Regelung einer Eindüsung von Brenngas,
insbesondere zur Regelung eines Gasdrucks, eines Zündzeitpunkts, einer Bestromungsdauer und/oder einer eingedüsten Brenngasmenge, verwendet wird.
Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass ein erstes Steuermodul zweiter Ordnung zur Regelung eines Gaspfads, insbesondere eines Ladedrucks und/oder eines Lambda- Werts verwendet wird, wobei ein zweites Steuermodul zweiter Ordnung zur Regelung einer Einspritzung von zwei Brennstoffen verwendet wird, insbesondere zur Regelung eines ersten Raildrucks für einen ersten Brennstoff und/oder eines zweiten Raildrucks für einen zweiten Brennstoff, zur Regelung eines Spritzbeginns für wenigstens einen der Brennstoffe, insbesondere für beide Brennstoffe, zur Regelung einer
Bestromungsdauer für wenigstens ein Brennstoff, vorzugsweise für beide Brennstoffe, und/oder zur Regelung einer eingespritzten Brennstoffmenge für wenigstens einen der Brennstoffe, vorzugsweise für beide Brennstoffe. Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass das wenigstens eine Steuermodul zweiter Ordnung eine Prognose von erreichbaren Werten für die Vorgabewerte durchführt, wobei es die erreichbaren Werte an das wenigstens eine Steuermodul erster Ordnung zurückmeldet. Dabei werden die erreichbaren Werte von dem Steuermodul erster Ordnung bei der Berechnung der Vorgabewerte herangezogen. Diese
Prognose entspricht bevorzugt der zuvor bereits erläuterten Prädiktion. Dabei wird die Prognose besonders bevorzugt für genau einen nächsten Rechenschritt, insbesondere genau einen nächsten Rechenzyklus der statischen Berechnung des Verbrennungsprozesses, also insbesondere einen nächsten Verbrennungsablauf oder ein nächstes Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine, durchgeführt. Die Prognose stellt insbesondere eine Abschätzung dar, welche Vorgabewerte in einem nächsten Schritt, insbesondere in einem nächsten Arbeitsspiel, erreichbar sind.
Die Dynamik der Brennkraftmaschine wird insbesondere durch diese Prognose oder Prädiktion berücksichtigt. Insbesondere hat das Steuermodul zweiter Ordnung bevorzugt die Eigenschaft, vorauszuberechnen, welche Vorgabe- oder Sollwerte ausgehend von einer aktuellen Situation der Brennkraftmaschine erreicht werden können. Dabei werden neben einem dynamischen Modell der von dem Steuermodul angesteuerten Teilkomponente(n) der Brennkraftmaschine
vorzugsweise auch real auftretende Stellerbegrenzungen und Informationen, die aus Diagnose- und Überwachungsfunktionen generiert werden, berücksichtigt. Die so jeweils aktuell berechneten, erreichbaren Vorgabe- oder Sollwerte stellen Begrenzungen für die statische Berechnung in dem Steuermodul erster Ordnung, insbesondere für die Berechnung oder
Optimierung des Verbrennungsprozesses, dar. Auf diese Weise wird die Dynamik der einzelnen, von Steuermodulen zweiter Ordnung angesteuerten Komponenten berücksichtigt und auf eine Begrenzung für das statische Modell, insbesondere für das statische Verbrennungsmodell, zurückgeführt. Vorzugsweise werden Anforderungen einzelner Komponenten an dynamisch veränderliche Größen des Systems der Brennkraftmaschine in gleicher Weise auf Begrenzungen für das statische Modell zurückgeführt. Auf diese Weise werden auftretende dynamische Effekte des Systems auf den nächsten Verbrennungsprozess durch eine Vorausberechnung, nämlich die Prognose oder Prädiktion, in den Komponenten auf Begrenzungen der erreichbaren Sollwerte für die statische Berechnung zurückgeführt und auf diese Weise berücksichtigt. Anforderungen von Komponenten an dynamische Größen des Betriebs der Brennkraftmaschine werden ebenfalls auf Begrenzungen der statischen Berechnung zurückgerechnet. Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass das wenigstens eine Steuermodul zweiter Ordnung Begrenzungen, Diagnoseergebnisse und/oder Überwachungsergebnisse bei der Prognose berücksichtigt. Insbesondere werden also durch das Steuermodul zweiter Ordnung Begrenzungen für Steller, insbesondere
Stelleranschläge, Klappenanschläge, Diagnoseergebnisse, insbesondere im Fehlerfall, beispielsweise Schwergängigkeiten, Klemmen und andere Defekte, und/oder
Überwachungsergebnisse, insbesondere von im Betrieb der Brennkraftmaschine aktuell auftretenden Größen, berücksichtigt. Diese Ergebnisse und Begrenzungen sind relevant für die tatsächlich erreichbaren Vorgabe- oder Sollwerte. Das wenigstens eine Steuermodul zweiter Ordnung übergibt alternativ oder zusätzlich vorzugsweise diese Begrenzungen,
Diagnoseergebnisse oder Überwachungsergebnisse an das Steuermodul erster Ordnung. Es ist also möglich, dass solche Begrenzungen, Diagnose- und/oder Überwachungsergebnisse indirekt berücksichtigt werden, indem sie von dem Steuermodul zweiter Ordnung zur Berechnung der erreichbaren Werte für die Vorgabewerte herangezogen werden. Es ist aber auch möglich, dass die Begrenzungen, Diagnose- oder Überwachungsergebnisse von dem Steuermodul zweiter Ordnung an das Steuermodul erster Ordnung übermittelt und direkt bei der Berechnung der Vorgabewerte durch das Steuermodul erster Ordnung berücksichtigt werden.
Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass Zielwerte für das wenigstens eine Steuermodul erster Ordnung durch ein übergeordnetes
Koordinatormodul berechnet werden. Dabei führt das übergeordnete Koordinatormodul eine modellbasierte Berechnung, vorzugsweise Optimierung, des Betriebs der Brennkraftmaschine unter Berücksichtigung von wenigstens einem Optimierungsziel - vorzugsweise in Echtzeit - durch. Auf diese Weise ist es möglich, übergeordnete Zielvorgaben für den Betrieb der
Brennkraftmaschine zu definieren und mittels des Koordinatormoduls umzusetzen.
Solche Zielwerte sind vorzugsweise Sollwerte für physikalische Größen der
Brennkraftmaschine, insbesondere für solche Größen, die nicht unmittelbar durch die
Ansteuerung von Stellern Steuer- oder regelbar sind. Solche Zielwerte sind beispielsweise ein Sollwert für eine Stickoxid-Konzentration im Abgas der Brennkraftmaschine, ein Sollwert für eine Partikelkonzentration im Abgas der Brennkraftmaschine, und/oder ein Sollwert für eine Abgastemperatur. Ein solcher Zielwert kann auch ein Maximalwert sein, beispielsweise ein Maximalwert für eine Abgastemperatur und/oder ein Maximalwert für einen Verbrauch an Brennstoff. Auch weitere oder andere Konzentrationen von Schadstoffen im Abgas können Zielwerte für das Koordinatormodul sein.
Das wenigstens eine Steuermodul erster Ordnung übermittelt dem Koordinatormodul vorzugsweise Begrenzungen oder erreichbare Werte für die Zielwerte. Hiervon können auch Diagnoseergebnisse und/oder Überwachungsergebnisse umfasst sein, insbesondere ein
Beladungszustand eines Partikelfilters, ein maximaler Umsatz an einem Katalysator,
insbesondere an einem SCR-Katalysator, Alterungswerte von Komponenten oder andere Begrenzungen, Diagnose- und/oder Überwachungsergebnisse. Diese werden vorzugsweise bei der Berechnung der Zielwerte durch das Koordinatormodul berücksichtigt.
Insbesondere berücksichtigt das Koordinatormodul vorzugsweise eine Hierarchie von
Optimierungszielen, wobei die Optimierungsziele insbesondere priorisiert sind. Falls auftretende Begrenzungen, Diagnose- und/oder Überwachungsergebnisse zeigen, dass nicht alle
Optimierungsziele zugleich erfüllt werden können, wird dies durch das Steuermodul erster
Ordnung festgestellt und an das Koordinatormodul zurückgemeldet, wobei in einem solchen Fall Optimierungsziele gemäß der Hierarchie der Optimierungsziele, insbesondere aber momentan nicht erreichbare Optimierungsziele, geringer gewichtet oder komplett außer Acht gelassen werden.
Das Koordinatormodul berücksichtigt bei der Berechnung der Zielwerte vorzugsweise gesetzliche Vorgaben, insbesondere in Hinblick auf Emissionen der Brennkraftmaschine. Dabei ist es ohne weiteres möglich, die gesetzlichen Vorgaben unmittelbar in das Koordinatormodul zu implementieren.
Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass wenigstens ein Zielwert, der durch das übergeordnete Koordinatormodul berechnet wird, ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus einer Soll-Stickoxid-Konzentration, einer Soll- Partikel-Konzentration oder einer Soll-Ruß-Konzentration im Abgas, einer Soll- Abgastemperatur, und einem maximalen Spitzendruck in einem Brennraum. Dabei kann es sich insbesondere um gesetzliche Vorgaben oder um anderweitige Anforderungen an die
Brennkraftmaschine handeln, die insbesondere direkt in das Koordinatormodul implementiert werden können. Mithilfe eines geeignet definierten Zielwerts kann der Spitzendruck direkt begrenzt werden anstelle einer indirekten Begrenzung über Kennfelder oder einer impliziten Beschreibung über Stellgrößen.
Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass wenigstens ein Abgas- Steuermodul zur Steuerung und/oder Regelung einer
Abgasnachbehandlungs-Komponente verwendet wird. Dabei kann es sich beispielsweise um ein Abgas-Steuermodul zur Steuerung oder Regelung eines SCR-Katalysators, oder um ein Abgas- Steuermodul zur Steuerung oder Regelung eines Partikelfilters handeln. Vorzugsweise kommuniziert das Abgas-Steuermodul direkt mit dem Koordinatormodul. Es besteht also insbesondere bevorzugt keine Kommunikationsverbindung zwischen dem Koordinatormodul und dem Abgas-Steuermodul vermittelt über ein Steuermodul erster Ordnung, sondern vielmehr kommunizieren das Koordinatormodul und das wenigstens eine Abgas-Steuermodul direkt miteinander. Dabei übermittelt das Koordinatormodul vorzugsweise Zielwerte, insbesondere Zielwerte für Emissionen der Brennkraftmaschine, an wenigstens ein Abgas-Steuermodul, wobei dieses vorzugsweise Begrenzungen, Diagnose- und/oder Überwachungsergebnisse sowie Zustandswerte, beispielsweise eine momentane Beladung eines Partikelfilters, eine
Alterungsadaption eines SCR-Katalysators, eine Defektmeldung eines Reduktionsmittel- Dosierers, oder andere Informationen direkt an das Koordinatormodul zurückmeldet, wobei diese Informationen zur Berechnung der Zielwerte in dem Koordinatormodul herangezogen werden.
Alternativ oder zusätzlich ist bevorzugt vorgesehen, dass das wenigstens eine Abgas- Steuermodul momentan erreichbare Abgaswerte, insbesondere Konzentrationen im Abgas, ermittelt und an das Koordinatormodul übermittelt, wobei dieses aus den momentan erreichbaren Abgaswerten maximal zulässige Abgaswerte als Zielwerte für das Steuermodul erster Ordnung ermittelt oder berechnet.
Das Koordinatormodul koordiniert somit besonders bevorzugt den Betrieb der
Brennkraftmaschine einerseits und zugleich die Abgasnachbehandlung andererseits. Dabei werden bestimmte Zielwerte bevorzugt sowohl an das wenigstens eine Steuermodul erster
Ordnung als auch an das wenigstens eine Abgas-Steuermodul übermittelt. Auf diese Weise kann das wenigstens eine Steuermodul erster Ordnung durch entsprechende Berechnung von
Vorgabewerten innermotorisch zur Einhaltung der Zielwerte beitragen, wobei das wenigstens eine Abgas-Steuermodul zusätzlich oder gegebenenfalls auch alternativ - insbesondere abhängig von einem konkreten Betriebszustand der Brennkraftmaschine - durch geeignete Steuerung oder Regelung der Abgasnachbehandlung zur Einhaltung der Zielwerte beitragen kann.
Das wenigstens eine Steuermodul erster Ordnung weist insbesondere ein Modell auf, welches eingerichtet ist, um aus den von dem Koordinatormodul übermittelten Zielwerten wenigstens einen Vorgabewert für das wenigstens eine Steuermodul zweiter Ordnung zu berechnen. Es empfängt also insbesondere die Zielwerte des Koordinatormoduls als Eingangswerte und gibt die Vorgabewerte für das wenigstens eine Steuermodul zweiter Ordnung als Ausgabewerte aus. Die Berechnung erfolgt statisch, also insbesondere ohne explizite Berücksichtigung einer
Zeitabhängigkeit. Dabei sind zeitabhängige Effekte in der Berechnung insbesondere
ausintegriert.
Die Aufgabe wird insbesondere auch gelöst, indem eine Steuereinrichtung für eine
Brennkraftmaschine geschaffen wird, die eingerichtet ist zur Durchführung von einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens. Dabei verwirklichen sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden.
Die Steuereinrichtung weist insbesondere wenigstens ein Steuermodul erster Ordnung und wenigstens ein Steuermodul zweiter Ordnung auf. Bevorzugt weist die Steuereinrichtung außerdem ein Koordinatormodul sowie alternativ oder zusätzlich wenigstens ein Abgas- Steuermodul auf.
Es ist möglich, dass die verschiedenen Module als separate Steuergeräte ausgebildet sind, die miteinander wirkverbunden sind und gemeinsam die Steuereinrichtung bilden. Es ist aber auch möglich, dass verschiedene oder alle Module als Software- oder Hardwaremodule eines
Steuergeräts ausgebildet sind. Auch eine Kombination dieser Möglichkeiten ist denkbar.
Besonders bevorzugt ist die Steuereinrichtung eingerichtet als zentrales Steuergerät der
Brennkraftmaschine (Engine Control Unit - ECU), wobei sie insbesondere als Standard- Steuergerät für eine Brennkraftmaschine eingerichtet ist. Die Durchführung des Verfahrens auf einem Standard-Steuergerät ist trotz der dort gegebenen Rechenzeit- und
Hardwarebeschränkungen möglich, da die Berechnungsschritte in der zuvor beschriebenen Weise separiert werden, wobei wenigstens ein erster Prozess statisch und wenigstens ein zweiter Prozess dynamisch berechnet wird. Es ist möglich, dass das Verfahren fest in eine Hardwarestruktur der Steuereinrichtung implementiert ist. Bevorzugt wird aber auch ein Ausführungsbeispiel der Steuereinrichtung, in welches ein Computerprogrammprodukt geladen ist, welches Anweisungen aufweist, aufgrund derer ein Verfahren gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen durchgeführt wird, wenn das Computerprogrammprodukt auf dem Steuergerät läuft. Dabei sind bevorzugt die verschiedenen, oben beschriebenen Module als Software-Module des
Computerprogrammprodukts ausgebildet. Insofern wird auch ein Computerprogrammprodukt bevorzugt, welches Anweisungen aufweist, aufgrund derer eine der zuvor beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens durchführbar ist, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Rechner, insbesondere einer
Steuereinrichtung für eine Brennkraftmaschine, läuft. Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Brennkraftmaschine geschaffen wird, welche eingerichtet ist zur Durchführung von einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens, und/oder welche eine Steuereinrichtung gemäß einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele aufweist. Dabei verwirklichen sich in Zusammenhang mit der
Brennkraftmaschine insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhand mit dem Verfahren erläutert wurden.
Die Brennkraftmaschine ist gemäß einem ersten konkreten Ausführungsbeispiel vorzugsweise als Gasmotor ausgebildet. Gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist es möglich, dass die Brennkraftmaschine als Selbstzünder, insbesondere als Dieselmotor ausgebildet ist. Weiterhin wird ein konkretes Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, welches als Zweistoffmotor, insbesondere als sogenannter Dual-Fuel-Motor, ausgebildet ist.
Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Hubkolbenmotor ausgebildet. Es ist möglich, dass die Brennkraftmaschine zum Antrieb eines Personenkraftwagens, eines Lastkraftwagens oder eines Nutzfahrzeugs eingerichtet ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dient die Brennkraftmaschine dem Antrieb insbesondere schwerer Land- oder Wasserfahrzeuge, beispielsweise von Minenfahrzeugen, Zügen, wobei die Brennkraftmaschine in einer
Lokomotive oder einem Triebwagen eingesetzt wird, oder von Schiffen. Auch ein Einsatz der Brennkraftmaschine zum Antrieb eines der Verteidigung dienenden Fahrzeugs, beispielsweise eines Panzers, ist möglich. Ein Ausfuhrungsbeispiel der Brennkraftmaschine wird vorzugsweise auch stationär, beispielsweise zur stationären Energieversorgung im Notstrombetrieb,
Dauerlastbetrieb oder Spitzenlastbetrieb eingesetzt, wobei die Brennkraftmaschine in diesem Fall vorzugsweise einen Generator antreibt. Auch eine stationäre Anwendung der
Brennkraftmaschine zum Antrieb von Hilfsaggregaten, beispielsweise von Feuerlöschpumpen auf Bohrinseln, ist möglich. Weiterhin ist eine Anwendung der Brennkraftmaschine im Bereich der Förderung fossiler Roh- und insbesondere Brennstoffe, beispielswiese Öl und/oder Gas, möglich. Auch eine Verwendung der Brennkraftmaschine im industriellen Bereich oder im Konstruktionsbereich, beispielsweise in einer Konstruktions- oder Baumaschine, zum Beispiel in einem Kran oder einem Bagger, ist möglich. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Dieselmotor, als Benzinmotor, als Gasmotor zum Betrieb mit Erdgas, Biogas, Sondergas oder einem anderen geeigneten Gas, ausgebildet. Insbesondere wenn die Brennkraftmaschine als Gasmotor ausgebildet ist, ist sie für den Einsatz in einem Blockheizkraftwerk zur stationären Energieerzeugung geeignet.
Es zeigt sich Folgendes: Das hier beschriebene Verfahren führt eine mathematisch aufwändige, dynamische Optimierung auf ein statisches Optimierungsproblem zurück, das deutlich einfacher zu lösen ist. Dieses Vorgehen ist auch dadurch begründet, dass die Verbrennung in einem Brennraum der Brennkraftmaschine selbst ein statischer Prozess ist in Abhängigkeit von den Eingangsgrößen am Zylinder. Das dynamische Verhalten des Systems wird dabei nicht vernachlässigt. Vielmehr werden Komponenten mit ihren eigenen, unterlagerten Regelkreisen verwendet, wobei hierfür die Steuermodule zweiter Ordnung vorgesehen sind. Die
Verbrennungsoptimierung in dem Steuermodul erster Ordnung generiert Sollwerte für diese unterlagerten Komponenten in Abhängigkeit von der aktuellen Betriebssituation der Zylinder und den auftretenden Begrenzungen. Durch die unterlagerten Regelkreise werden die Sollwerte unter Berücksichtigung des dynamischen Verhaltens der jeweiligen Komponenten eingeregelt.
Jede Komponente, insbesondere jedes Softwaremodul zweiter Ordnung, hat dabei bevorzugt noch die Eigenschaft, dass sie/es vorausberechnet, welche Sollwerte ausgehend von der aktuellen Situation erreicht werden können. Dabei werden neben einem dynamischen Modell der
Teilkomponente auch real auftretende Stellerbegrenzungen und Informationen, die aus
Diagnose- und Überwachungsfunktionen generiert werden, berücksichtigt. Die so jeweils aktuell berechneten, erreichbaren Sollwerte stellen Begrenzungen für die Verbrennungsoptimierung dar. Es wird so die Dynamik der einzelnen Komponenten berücksichtigt und auf eine Begrenzung für das statische Verbrennungsmodell zurückgeführt.
Anforderungen einzelner Komponenten an dynamisch veränderliche Größen des Motorsystems werden in gleicher Weise auf Begrenzungen für das statische Verbrennungsmodell
zurückgeführt.
Der statischen Verbrennungsoptimierung mit den Verknüpfungen zu den Komponenten ist ein Koordinatormodul überlagert. Es sorgt für die Sollwert-Erzeugung für die statische
Verbrennungsoptimierung. Dabei findet insbesondere eine Koordination zwischen einer
Abgasnachbehandlung und der Brennkraftmaschine statt. Die im Koordinator angelegten Gesetzesvorgaben werden dann beispielsweise umgerechnet in Emissions-Sollwerte für die Abgasnachbehandlung und die Brennkraftmaschine. In dem Koordinatormodul ist auch eine Hierarchie von Optimierungszielen abgelegt. Falls auftretende Begrenzungen dazu führen, dass nicht alle Optimierungsziele erfüllt werden können, wird die Komponente der Verbrennungsoptimierung, also insbesondere das Steuermodul erster Ordnung, dies analog zu den anderen Komponenten, insbesondere also zu den Steuermodulen zweiter Ordnung, sowie Abgas-Steuermodulen, dem Koordinatormodul zurückmelden. Dort können dann in einem solchen Fall Optimierungsziele geringer gewichtet oder komplett abgeschaltet werden.
Somit wird insgesamt ein neues Prinzip eines elektronischen Motor-Managements geschaffen. Dabei werden Zielwerte für den Betrieb der Brennkraftmaschine bevorzugt in Form von
Gütemaßen für eine Optimierung definiert. Dabei bezeichnet der Begriff„Gütemaß"
insbesondere eine Größe, die extremal gemacht, also insbesondere maximiert oder minimiert, werden soll. Somit sind die Zielwerte transparent und können insbesondere direkt auf die in einer gesetzlichen Vorgabe beschriebenen Größen formuliert werden. Es ist nicht erforderlich, diese Zielwerte indirekt über Hilfsgrößen, insbesondere mittels Korrekturkennfeldern, zu formulieren. Die Abhängigkeiten des Motormanagements können damit einfacher abgebildet werden, die Komplexität des Motor-Systems kann einfacher als bisher gehandhabt werden. Der
Bedatungsaufwand für das gesamte Motor-Management nimmt dann ab, weil die
Zusammenhänge durch die Teilmodelle beschrieben sind. Dabei werden üblicherweise auftretende Probleme vermieden: Anstelle einer sehr aufwendigen, dynamischen Optimierung wird zumindest für den Verbrennungsprozess eine rein statische Betrachtung vorgenommen. Dieses Vorgehen ist gerechtfertigt, da der Verbrennungsprozess an sich in Abhängigkeit von Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine statisch ist. Austretende dynamische Effekte des Systems werden durch eine Vorausberechnung, insbesondere eine Prognose oder Prädiktion, in den Komponenten, insbesondere in den Steuermodulen zweiter Ordnung, auf den nächsten Verbrennungsprozess auf Begrenzungen der erreichbaren Sollwerte für die statische Optimierung des Verbrennungsprozesses zurückgeführt und auf diese Weise berücksichtigt. Anforderungen von Komponenten an dynamische Größen des Motorbetriebs werden ebenfalls auf Begrenzungen der statischen Optimierung zurückgerechnet.
Dieses Vorgehen überführt das ursprünglich dynamische Optimierungsproblem auf eine statische Optimierung für den Verbrennungsprozess, die deutlich einfacher zu lösen ist. Die Umsetzung des Verfahrens auf einem Standard- Steuergerät ist somit möglich.
Da alle Anforderung, wie statische oder dynamische Begrenzungen, Stellerbegrenzungen, Funktionen zum Bauteilschutz, und andere Begrenzungen oder Funktionen als Randbedingungen für die statische Optimierung der Verbrennung formuliert werden können, kann das Vorgehen hier auch als Verbrennungsprozess-bezogenes, optimales Motormanagement bezeichnet werden.
Die Beschreibung des Verfahrens einerseits und der Steuereinrichtung sowie der
Brennkraftmaschine andererseits sind komplementär zueinander zu verstehen. Insbesondere sind Merkmale der Steuereinrichtung oder der Brennkraftmaschine, welche explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben wurden, bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Steuereinrichtung oder der Brennkraftmaschine. In analoger Weise sind Verfahrensschritte, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit der Steuereinrichtung und/oder der Brennkraftmaschine beschrieben wurden, bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Schritte einer bevorzugten
Ausführungsform des Verfahrens. Die Steuereinrichtung und/oder die Brennkraftmaschine ist/sind vorzugsweise gekennzeichnet durch wenigstens ein Merkmal, welches durch wenigstens einen Schritt einer erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens bedingt ist. Das Verfahren weist vorzugsweise wenigstens einen Verfahrensschritt auf, der durch wenigstens ein Merkmal eines erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsbeispiels der Steuereinrichtung oder der Brennkraftmaschine bedingt ist. Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben. Dabei zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des Verfahrens sowie eines ersten Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine;
Figur 2 eine Detaildarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Steuermoduls zweiter
Ordnung, und
Figur 3 eine schematische Darstellung weiterer Ausführungsbeispiele einer
Brennkraftmaschine beziehungsweise Ausführungsformen des Verfahrens.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine 1, die eine Steuereinrichtung 3 aufweist, welche eingerichtet ist zur Durchführung einer
Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine 1.
Dabei weist die Steuereinrichtung 3 insbesondere ein Steuermodul erster Ordnung 5 sowie wenigstens ein Steuermodul zweiter Ordnung, hier zwei Steuermodule zweiter Ordnung 7, 9 auf, wobei das wenigstens eine Steuermodul erster Ordnung 5 Vorgabewerte für die Steuermodule zweiter Ordnung 7, 9 mittels einer modellbasierten Berechnung, insbesondere Optimierung, berechnet, nämlich erste Vorgabewerte 11 für das erste Steuermodul zweiter Ordnung 7 und zweite Vorgabewerte 13 für das zweite Steuermodul zweiter Ordnung 9. Die Vorgabewerte 11, 13 werden durch die Steuermodule zweiter Ordnung 7, 9 zur Steuerung und/oder Regelung von wenigstens einer Funktion der Brennkraftmaschine 1 verwendet, wobei sie insbesondere als Solloder Stellwerte zur Ansteuerung von wenigstens einem Stellorgan verwendet werden, oder wobei die Vorgabewerte 11 , 13 in Stellwerte zur Ansteuerung von wenigstens einem Stellorgan umgesetzt werden.
Im Rahmen des Verfahrens wird eine Separation von Berechnungsschritten derart durchgeführt, dass durch das Steuermodul erster Ordnung 5 eine statische Berechnung von einem ersten Prozess der Brennkraftmaschine 1 durchgeführt wird, wobei durch die Steuermodule zweiter Ordnung 7, 9 eine dynamische Berechnung anderer Prozesse der Brennkraftmaschine 1 durchgeführt wird. Insbesondere ist dabei eine Zeitskalenseparation derart vorgesehen, dass der in dem Steuermodul erster Ordnung 5 statisch berechnete Prozess auf einer ersten, kleineren Zeitskala abläuft, die kleiner ist als eine zweite, größere Zeitskala, wobei die in den Steuermodulen zweiter Ordnung 7, 9 berechneten Prozesse auf der zweiten, größeren Zeitskala oder auf verschiedenen Zeitskalen ablaufen, die jedoch jeweils größer sind als die erste, kleinere Zeitskala. Insbesondere sind die Zeitskalen für die Prozesse, welche in den Steuermodulen zweiter Ordnung 7, 9 berechnet werden, vorzugsweise mindestens zwei Größenordnungen größer als die Zeitskala, auf welcher der durch das Steuermodul erster Ordnung 5 statisch berechnete Prozess abläuft. Insbesondere führt das Steuermodul erster Ordnung 5 eine modellbasierte, statische Berechnung, vorzugsweise Optimierung, eines Verbrennungsprozesses der Brennkraftmaschine 1 durch. Dabei wird in dem Steuermodul erster Ordnung 5 zur Berechnung des Verbrennungsprozesses vorzugsweise ein explizit zeitunabhängiges und insoweit statisches Verbrennungsmodell verwendet.
Die Steuermodule zweiter Ordnung 7, 9 führen bevorzugt eine Prognose von erreichbaren Werten für die Vorgabewerte 11, 13 durch und übermitteln diese erreichbaren Werte an das Steuermodul erster Ordnung 5. Dabei werden hier insbesondere von dem ersten Steuermodul zweiter Ordnung 7 Begrenzungen 15 an das Steuermodul erster Ordnung 5 übermittelt, wobei von dem zweiten Steuermodul zweiter Ordnung 9 momentan erreichbare Werte 17 an das Steuermodul erster Ordnung 5 zurückgegeben werden. Die Begrenzungen 15 und die
erreichbaren Werte 17 werden von dem Steuermodul erster Ordnung 5 bei der Berechnung der Vorgabewerte 11, 13 berücksichtigt. Das zweite Steuermodul zweiter Ordnung 9 erhält darüber hinaus von einer ersten
Diagnosekomponente 19 erste Diagnoseergebnisse 21 , welche es vorzugsweise bei der Prognose der erreichbaren Werte 17 berücksichtigt.
Die Prognose wird vorzugsweise stets für einen Rechenschritt im Voraus durchgeführt, es werden also insbesondere erreichbare Werte und/oder Begrenzungen für einen nächsten
Rechenzyklus der statischen Berechnung in dem Steuermodul erster Ordnung 5 - insbesondere für ein nächstes Arbeitsspiel - durchgeführt. Dabei wird die Dynamik des Systems der
Brennkraftmaschine 1 insbesondere durch diese Prognose berücksichtigt. Die Steuereinrichtung 3 weist außerdem ein übergeordnetes Koordinatormodul 23 auf, welches erste Zielwerte 25 für das dem Koordinatormodul 23 untergeordnete Steuermodul erster
Ordnung 5 berechnet. Dabei führt das übergeordnete Koordinatormodul 23 eine modellbasierte Berechnung, insbesondere Optimierung des Betriebs der Brennkraftmaschine 1 unter
Berücksichtigung von wenigstens einem Optimierungsziel- vorzugsweise in Echtzeit - durch.
Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel werden dem Koordinatormodul 23
Anforderungen 27 an den Betrieb der Brennkraftmaschine 1 , beispielsweise durch einen
Betreiber, insbesondere einen Kxaftfahrzeugführer eines Kraftfahrzeugs, zu dessen Antrieb die Brennkraftmaschine 1 vorgesehen ist, oder durch Betriebsbedingungen für eine stationäre
Brennkraftmaschine, oder in anderer Weise, übermittelt. Diese Anforderungen 27 werden durch das Koordinatormodul 23 verwendet, um die ersten Zielwerte 25 zu berechnen.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist außerdem wenigstens ein Abgas-Steuermodul vorgesehen, hier konkret zwei Abgas-Steuermodule 29, 31 , die der Steuerung oder Regelung jeweils einer Abgasnachbehandlungs-Komponente dienen, wobei die Abgas-Steuermodule 29, 31 direkt mit dem Koordinatormodul 23 wirkverbunden sind, sodass sie direkt mit diesem kommunizieren. Dabei übermittelt das Koordinatormodul 23 insbesondere zweite Zielwerte 33 an das erste Abgas-Steuermodul 29, wobei dieses zweite Begrenzungen 35 und/oder erste Zustandsmeldungen 37 an das Koordinatormodul 23 übermittelt. Das zweite Abgas-Steuermodul 31 übermittelt hier eine zweite Zustandsmeldung 39 sowie einen Abgas-Sollwert 41 für eine möglichst effiziente Abgasnachbehandlung an das Koordinatormodul 23.
Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine 1 handelt es sich insbesondere um einen Dieselmotor. Das Steuermodul erster Ordnung 5 ist dabei eingerichtet zur Durchführung einer modellbasierten, statischen Berechnung eines Verbrennungsprozesses der Brennkraftmaschine 1 , insbesondere als Komponente zur Verbrennungsoptimierung. Es führt dabei Berechnungen von Sollwerten auf der Grundlage eines Verbrennungsmodells und eines statischen Optimierers insbesondere unter Berücksichtigung von den ersten Begrenzungen 15 und den erreichbaren Werten 17 aus. Es ist möglich, dass das Steuermodul erster Ordnung 5 selbst Begrenzungen aufweist, die direkt in es implementiert sind. Insbesondere ist es möglich, dass das Steuermodul erster Ordnung 5 intrinsisch eine Begrenzung für einen maximalen
Brennraumdruck, insbesondere einen maximalen Zylinderspitzendruck, für die
Brennkraftmaschine 1 aufweist. Solche intrinsischen Begrenzungen werden selbstverständlich ebenfalls von dem Steuermodul erster Ordnung 5 bei der Berechnung der Vorgabewerte 11, 13 berücksichtigt.
Das erste Steuermodul zweiter Ordnung 7 ist bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel eingerichtet zur Steuerung oder Regelung einer Einspritzung, insbesondere als
Einspritzkomponente oder Einspritzmodul. Es weist insbesondere Regler zur Regelung eines Raildrucks eines Common-Rail-Einspritzsystems, eines Einspritzbeginn und/oder einer
Bestromungsdauer für wenigstens einen Injektor zur Injektion von Brennstoff in wenigstens einem Brennraum der Brennkraftmaschine 1 auf. Es ist weiterhin vorzugsweise eingerichtet, um Zustände der Regler zu überwachen und/oder um Zustände der zur Regelung vorgesehenen Steller zu überwachen, wobei aus diesen Informationen insbesondere die Begrenzungen 15 ermittelt werden können. Weiterhin ist das erste Steuermodul zweiter Ordnung 7 bevorzugt eingerichtet, um technisch vorgegebene Grenzwerte für Bauteile der Brennkraftmaschine 1 zu berücksichtigen und insbesondere als Begrenzungen 15 an das Steuermodul erster Ordnung 5 zurückzumelden, insbesondere einen maximalen Raildruck und/oder eine maximale Temperatur für wenigstens einen Injektor der Brennkraftmaschine 1.
Das zweite Steuermodul zweiter Ordnung 9 ist vorzugsweise eingerichtet als Steuermodul zur Regelung oder Steuerung eines Ladepfads, hier eines Luftpfads, der insbesondere eingerichtet ist zur Zuführung von Verbrennungsluft in einen Brennraum der Brennkraftmaschine 1. Dabei weist das zweite Steuermodul zweiter Ordnung 9 insbesondere einen Luftpfad-Regler 43 auf, der eingerichtet ist zur Regelung von Komponenten des Luftpfads, beispielsweise zur Regelung oder Steuerung einer Drosselklappenstellung, und vorzugsweise ein Turbolader-Modell 45, das eingerichtet ist zur Ansteuerung oder Regelung eines Abgasturboladers. Weiterhin weist das zweite Steuermodul zweiter Ordnung 9 vorzugsweise eine Berechnungskomponente 47 auf, welche eingerichtet ist zur Berechnung erreichbarer Werte in dem Luftpfad, beispielsweise erreichbarer Werte für einen Ladedruck und/oder ein Verbrennungsluft-Brennstoff- Verhältnis, also einen Lambdawert. Die Berechnungskomponente 47 ist außerdem bevorzugt eingerichtet zur Auswertung von Diagnosefunktionen, welche dem zweiten Steuermodul zweiter Ordnung 9 zugeordnet sind. Dabei ist das zweite Steuermodul zweiter Ordnung 9 insbesondere mit der ersten Diagnosekomponente 19 wirkverbunden, welche erste Messwerte 49 empfängt, beispielsweise Messwerte einer Klappenposition einer Drosselklappe, und daraus beispielsweise einen Drosselklappendefekt erkennt. Dieser kann als Diagnoseergebnis 21 an das zweite
Steuermodul zweiter Ordnung 9 gemeldet werden, wobei der Defekt vorzugsweise durch die Berechnungskomponente 47 ausgewertet wird. Insbesondere berechnet die
Berechnungskomponente 47 auf der Grundlage des erkannten Defekts den wenigstens einen erreichbaren Wert 17, insbesondere einen erreichbaren Ladedruck und/oder einen erreichbaren Lambda-Wert.
Das Steuermodul erster Ordnung 5 berechnet als erste Vorgabewerte 11 für das erste
Steuermodul zweiter Ordnung 7 vorzugsweise Sollwerte für einen Raildruck, einen Spritzbeginn und eine einzuspritzende Brennstoffmenge. Es erhält von dem ersten Steuermodul zweiter Ordnung 7 als Begrenzungen 15 vorzugsweise einen minimalen Raildruck und/oder einen maximalen Raildruck zurückgemeldet. Weiterhin berechnet das Steuermodul erster Ordnung 5 als Vorgabewerte für das zweite Steuermodul zweiter Ordnung 9 vorzugsweise Sollwerte für einen Ladedruck und einen Lambda-Wert, welche es als zweite Vorgabewerte 13 an das zweite Steuermodul zweiter Ordnung 9 übermittelt. Es erhält von dem zweiten Steuermodul zweiter Ordnung 9 als erreichbare Werte 17 vorzugsweise minimale Werte für den Ladedruck und den Lambda-Wert und/oder maximal erreichbare Werte für den Ladedruck und den Lambda-Wert.
Das Koordinatormodul 23 berechnet als erste Zielwerte 25 für das Steuermodul erster Ordnung 5 vorzugsweise eine Soll-Stickoxid-Konzentration im Abgas, eine Soll-Rußkonzentration im Abgas, sowie eine Soll-Abgastemperatur. Außerdem berechnet es als erste Zielwerte 25 vorzugsweise auch eine maximale Abgastemperatur. Das Koordinatormodul 23 erhält von dem Steuermodul erster Ordnung 5 eine Information 51 über die Erreichbarkeit der durch das Koordinatormodul 23 vorgegebenen Zielwerte. Diese Information 51 , welche von dem
Steuermodul erster Ordnung 5 - bevorzugt insbesondere auf der Grundlage der Begrenzungen 15 und der erreichbaren Werte 17 - berechnet wird, wird von dem Koordinatormodul 23 wiederum herangezogen, um neue Zielwerte 25 zu berechnen.
Das Koordinatormodul 23 ist bevorzugt außerdem wirkverbunden mit einem Drehzahlregler 53, an den es vorzugsweise eine Drehzahl vorgäbe 55 übermittelt, die es insbesondere auf der Grundlage der Anforderungen 27 berechnet. Der Drehzahlregler 53 berechnet aus der
Drehzahlvorgabe 55 eine Soll-Einspritzmenge 57 und übermittelt diese an das Steuermodul erster Ordnung 5, wobei dieses die Soll-Einspritzmenge 57 der Berechnung der Vorgabewerte 11, 13 zugrunde legt. Das Koordinatormodul 23 erhält als Anforderungen 27 insbesondere Forderungen eines Betreibers der Brennkraftmaschine 1. Insbesondere umfassen die Anforderungen 27 bevorzugt Anforderungen an eine Drehzahl und/oder ein Drehmoment für die Brennkraftmaschine 1. In das Koordinatormodul 23 sind bevorzugt gesetzliche Vorgaben für Stickoxid- und/oder Partikelemissionen der Brennkraftmaschine 1 implementiert. Diese gesetzlichen Vorgaben werden durch das Koordinatormodul 23 umgesetzt in Zielwerte 25, 33. Außerdem weist das Koordinatormodul 23 vorzugsweise eine Mehrzahl von Optimierungszielen auf, wobei diese Optimierungsziele zeitlich variieren oder auch miteinander in Konflikt stehen können. Solche Optimierungsziele betreffen insbesondere eine Soll-Stickoxidkonzentration, eine Soll- Rußkonzentration und/oder eine Soll-Abgastemperatur. Auch ein Soll- Verbrauch oder ein Maximal- Verbrauch an Brennstoff sind als Zielwerte möglich. Diese Optimierungsziele können insbesondere unter Berücksichtigung eines maximalen Umsatzes an einem
Abgasnachbehandlungselement, insbesondere einem SCR-Katalysator, einer Beladung eines Partikelfilters, den gesetzlichen Vorgaben, einem aktuellen Betriebszustand der
Brennkraftmaschine 1, insbesondere abhängig von den Anforderungen 27, und/oder abhängig von anderen oder weiteren Größen variieren. Dabei weist das Koordiriatormodul 23 bevorzugt eine Hierarchie der Optimierungsziele auf, anhand derer es entscheiden kann, welches
Optimierungsziel zu welchem Zeitpunkt und unter welchen Umständen mit welcher Priorität angestrebt wird. Dabei berücksichtigt das Koordinatormodul 3 bei der Auswahl der
Optimierungsziele insbesondere die Informationen 51, welche es durch das Steuermodul erster Ordnung 5 erhält.
Das erste Abgas- Steuermodul 29 ist bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als Steuermodul zur Steuerung eines SCR-Katalysators eingerichtet. Dabei ist es insbesondere eingerichtet zur Durchführung einer Emissionsregelung, einer Alterungsadaption für den SCR- Katalysator und/oder zur Berücksichtigung dynamischer Grenzen desselben. Dabei erhält das erste Abgas-Steuermodul 29 durch das Koordinatormodul 23 insbesondere eine Soll- Stickoxidkonzentration im Abgas stromabwärts des SCR-Katalysators als zweiten Zielwert 33 übermittelt. In das erste Abgas-Steuermodul 29 gehen als Eingangsgrößen eine Abgas- Temperatur 59 vor und/oder nach dem SCR-Katalysator sowie eine Stickoxid-Konzentration 61 im Abgas vor und/oder nach dem SCR-Katalysator ein. Insbesondere anhand dieser
Eingangsgrößen berechnet das erste Abgas-Steuermodul 29 - vorzugsweise anhand eines Kennfelds, insbesondere in Abhängigkeit von einer Abgas-Temperatur und/oder einem Abgasmassenstrom - einen maximalen Umsatz von Stickoxiden, den es dem Koordinatormodul 23 als zweite Begrenzungen 35 übermittelt. Zusätzlich oder alternativ berechnet es vorzugsweise insbesondere anhand der Abgas-Temperatur 59 und der Stickoxidkonzentration 61 eine maximale Abgastemperatur, welche es dem Koordinatormodul 23 als erste Zustandsmeldung 37 übermittelt.
Weiterhin ist das erste Abgas-Steuermodul 29 vorzugsweise mit einer zweiten
Diagnosekomponente 63 wirkverbunden, in welche zweite Messwerte 65 eingehen. Die zweite Diagnosekomponente 63 ermittelt insbesondere Fehlfunktionen oder Defekte einer SCR- Katalyseeinrichtung, insbesondere des SCR-Katalysators selbst und/oder einer Dosiereinrichtung zur Eindosierung eines Reduktionsmittels, beispielsweise einer Harnstoff- Wasser-Lösung.
Daraus resultieren zweite Diagnoseergebnisse 67, welche die zweite Diagnosekomponente 63 an das erste Abgas- Steuermodul 29 übermittelt, und welche das erste Abgas- Steuermodul 29 zur Berechnung der zweiten Begrenzungen 35 und/oder der ersten Zustandsmeldung 37 heranzieht.
Das zweite Abgas-Steuermodul 31 ist hier insbesondere eingerichtet zur Steuerung oder
Regelung eines Partikelfilters, wobei es insbesondere ein Beladungsmodell aufweist, anhand dessen es eine Beladung des Partikelfilters berechnen kann. Weiterhin weist es vorzugsweise ein Berechnungsmodell zur Berechnung von Anforderungen an ein Thermomanagement des Partikelfilters auf. Als Eingangswerte erhält das zweite Abgas-Steuermodul 31 vorzugsweise einen Differenzdruck 69, der über dem Partikelfilter abfällt, sowie eine Temperatur 71 des Partikelfilters. Mittels des Beladungsmodells und/oder des Anforderungsmodells für das Thermomanagement berechnet das zweite Abgas- Steuermodul 31 hieraus insbesondere einen Beladungszustand, welchen es als zweite Zustandsmeldung 39 an das Koordinatormodul 23 zurückmeldet. Außerdem berechnet es vorzugsweise eine Soll-Abgastemperatur, welches als Abgassollwert 41 an das Koordinatormodul 23 übermittelt.
Das Koordinatormodul 23 berücksichtigt wiederum die zweiten Begrenzungen 35, die erste Zustandsmeldung 37, den Abgassollwert 41 und die zweite Zustandsmeldung 39 bei der
Berechnung der Zielwerte 25, 33.
Das Koordinatormodul 23 übermittelt also insbesondere Soll-Stickoxid-Konzentrationen sowohl an das Steuermodul erster Ordnung 5 als auch an das erste Abgas-Steuermodul 29.
Vorzugsweise ist das Koordinatormodul 23 eingerichtet, um eine Abwägung zwischen einer innerzylindrischen Stickoxid-Reduktion und einer Stickoxid-Reduktion mittels einer
Abgasnachbehandlung durch das Abgas-Steuermodul durchzufuhren. Anhand dieser Abwägung kann es dann insbesondere verschiedene Sollwerte für die Soll-Stickoxidkonzentration einerseits an das erste Steuermodul erster Ordnung 5 und andererseits an das erste Abgas- Steuermodul 29 übermitteln, um die Reduktion der Stickoxid-Emissionen in für den aktuellen Betriebszustand und die aktuellen Anforderungen 27 geeigneter Weise auf innerzylindrische Maßnahmen einerseits, welche von der Verbrennungsoptimierung in dem Steuermodul erster Ordnung 5 berücksichtigt werden, und auf Maßnahmen der Abgasnachbehandlung andererseits, welche durch das Abgas-Steuermodul 29 durchgeführt werden, aufzuteilen.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für ein Steuermodul zweiter Ordnung, beispielsweise für das erste Steuermodul zweiter Ordnung 7. Das hier in Zusammenhang mit Figur 2 ausgeführte gilt aber vorzugsweise genauso für das zweite
Steuermodul zweiter Ordnung 9 und/oder für ein beliebiges anderes oder zusätzliches
Steuermodul zweiter Ordnung. Bei dem Steuermodul zweiter Ordnung 7 handelt es sich bevorzugt um ein Softwaremodul oder eine sogenannte Komponente einer Software. Es kann sich aber auch um ein eigenes, separates Steuergerät handeln, also insbesondere um eine Hardware-Komponente. Figur 2 dient insbesondere dazu, die prinzipielle Funktionsweise eines solchen Steuermoduls zweiter Ordnung zu erläutern.
Das Steuermodul zweiter Ordnung 7 erhält als Vorgabewerte 11 Sollwerte, insbesondere von einem Steuermodul erster Ordnung, das in Figur 2 nicht dargestellt ist. Weiterhin erhält es vorzugsweise Informationen 73 von einer Diagnosefunktion, wie dies beispielsweise für das in Figur 1 dargestellte zweite Steuermodul zweiter Ordnung 9 in Form der Diagnoseergebnisse 21 von der ersten Diagnosekomponente 19 der Fall ist.
Das Steuermodul zweiter Ordnung 7 weist einen Regler 75 auf, welcher die durch das
Steuermodul zweiter Ordnung 7 geregelte Unter-Einrichtung oder Komponente der
Brennkraftmaschine, beispielsweise einen Ladepfad oder eine Eindosierung, auf die von außen vorgegebenen Sollwerte, nämlich die Vorgabewerte 11, regelt. Zusätzlich weist das hier dargestellte Ausführungsbeispiel eines Steuermoduls zweiter Ordnung 7 eine
Fehlerauswertungsfunktion 77 auf, welche auftretende Fehler insbesondere in durch den Regler 75 angesteuerten Stellern, anhand der Informationen 73 ermittelt. Weiterhin weist das hier dargestellte Ausführungsbeispiel des Steuermoduls zweiter Ordnung 7 eine Berechnungskomponente 79 zur Berechnung erreichbarer Werte auf, also zur Berechnung von Werten, welche für die Vorgabewerte 11 tatsächlich in der aktuellen Betriebssituation erreichbar sind. Diese Funktion entspricht insbesondere der in Figur 1 dargestellten
Berechnungskomponente 47 des zweiten Steuermoduls zweiter Ordnung 9.
Insbesondere auf der Grundlage der Ergebnisse der Berechnungskomponente 79 und/oder der Berechnungsergebnisse der Fehlerauswertungsfunktion 77 berechnet das Steuermodul zweiter Ordnung 7 aktuell erreichbare Vorgabewerte 81 , die beispielsweise die Begrenzungen 15 und/oder die erreichbaren Werte 17 gemäß Figur 1 sind. Dabei gibt das Steuermodul zweiter Ordnung 7 die erreichbaren Vorgabewerte 81 vorzugsweise in derselben Größe zurück, in welcher auch die Vorgabewerte 11 beschrieben werden. In die Berechnung der erreichten Vorgabewerte 81 geht bevorzugt auch eine Parametrierung des Reglers 75, insbesondere eines PID-Reglers, ein. Die Reglerparametrierung hat nämlich Einfluss auf die Vorgabewerte 11 , die tatsächlich in einem nächsten Schritt erreicht werden können. Bei der Berechnung der erreichbaren Vorgabewerte 81 werden auch Stellerbegrenzungen, beispielsweise
Klappenanschläge und/oder Bauteilbegrenzungen, berücksichtigt.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung weiterer Ausführungsbeispiele der
Brennkraftmaschine 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird.
Bei der Brennkraftmaschine 1 gemäß Figur 3 ist gegebenenfalls keine Abgasnachbehandlung sowie vorzugsweise auch keine Abgasrückführung vorgesehen. Entsprechend fehlen hier die Abgas-Steuermodule 29, 31. Es ist gleichwohl möglich, eine Abgasnachbehandlung und/oder -rückführung vorzusehen.
Im Übrigen können nach dem in Figur 3 dargestellten Schema verschiedene
Ausführungsbeispiele der Brennkraftmaschine 1 ausgebildet sein: Bei einem bevorzugten, zweiten Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine 1 ist diese vorzugsweise als Gasmotor ausgebildet, insbesondere als gemischverdichtender Gasmotor. In diesem Fall unterscheidet sich das Ausführungsbeispiel von dem in Figur 1 dargestellten, ersten Ausführungsbeispiel insoweit, als der Drehzahlregler 53 als Ausgabewert nicht eine Soll- Einspritzmenge, sondern vielmehr ein Soll-Drehmoment 83 an das Steuermodul erster Ordnung 5 übermittelt. Weiterhin übermittelt das Steuermodul erster Ordnung 5 als erste Vorgabewerte 11 bei dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 an das erste Steuermodul zweiter Ordnung 7 Sollwerte für einen Brenngas-Druck, einen Zündzeitpunkt, und eine - vorzugsweise vor Verdichter in einen Ladepfad einzubringende - Brenngasmenge. Das erste Steuermodul zweiter Ordnung 7 umfasst einen Regler für den Brenngasdruck, einen Zündzeitpunkt, und vorzugsweise eine Bestromungsdauer einer Brenngas-Zudosiereinrichtung. Es umfasst weiterhin bevorzugt Komponenten zur Rückmeldung eines Zustands des Brenngasdruck-Reglers und vorzugsweise auch zur Berücksichtigung von Bauteilgrenzen, beispielsweise einem maximalen
Brenngasdruck, sowie einer maximalen Temperatur für die Brenngas-Zudosiereinrichtung. Als Begrenzungen 15 meldet das erste Steuermodul zweiter Ordnung 7 vorzugsweise einen minimalen Brenngasdruck und/oder einen maximalen Brenngasdruck an das Steuermodul erster Ordnung 5 zurück.
Das zweite Steuermodul zweiter Ordnung 9 ist bei dem hier beschriebenen, zweiten
Ausführungsbeispiel vorzugsweise als Steuermodul zur Steuerung oder Regelung eines
Ladepfads, insbesondere zur Zuführung von einem verdichteten Verbrennungsluft-Brenngas- Gemisch in einen Brennraum der Brennkraftmaschine 1 , eingerichtet. Dabei weist es
vorzugsweise die Komponenten auf, welche auch bereits in Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 beschrieben wurden, wobei es allerdings als zweite
Vorgabewerte 13 von dem Steuermodul erster Ordnung 5 Sollwerte für einen Ladedruck und einen Druck stromaufwärts einer Drosselklappe erhält. Es übermittelt als erreichbare Werte 17 vorzugsweise an das Steuermodul erster Ordnung 5 erreichbare Werte für einen minimalen Ladedruck sowie einen minimalen Druck stromaufwärts der Drosselklappe, und/oder für einen maximalen Ladedruck sowie einen maximalen Druck stromaufwärts der Drosselklappe.
Das in Figur 3 dargestellte Schema steht aber auch für ein drittes Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine 1 , welches als Zweistoffmotor, insbesondere als Bi-Fuel- oder als Dual- Fuel-Motor ausgebildet ist. Auch in diesem Fall berechnet der Drehzahlregler 53 vorzugsweise das Soll-Drehmoment 83 und übergibt dieses an das Steuermodul erster Ordnung 5. Dieses berechnet allerdings als erste Vorgabewerte 11 bei dem dritten Ausführungsbeispiel Sollwerte für einen Raildruck eines ersten Brennstoffs sowie für einen Raildruck eines zweiten
Brennstoffs, insbesondere für einen Dieselbrennstoff als ersten Brennstoff und für einen
Ottobrennstoff als zweiten Brennstoff, einen Sollwert für einen Spritzbeginn für den ersten Brennstoff und/oder den zweiten Brennstoff, sowie einzuspritzende Brennstoffmengen für den ersten und/oder den zweiten Brennstoff.
Das erste Steuermodul zweiter Ordnung 7 dient bevorzugt der Regelung oder Steuerung einer Einspritzung der beiden verschiedenen Brennstoffe, wobei es vorzugsweise für jeden Brennstoff einen Raildruckregler, einen Spritzbeginnregler sowie einen Regler für die Bestromungsdauer entsprechender Injektoren oder eines Mehrstoffinjektors aufweist. Es weist außerdem eine Komponente zur Rückmeldung eines Zustands der verschiedenen Regler auf, wobei es weiterhin eingerichtet ist, um Bauteilgrenzen, beispielsweise maximale Raildrücke sowie maximale Injektortemperaturen zu berücksichtigen. Es übermittelt vorzugsweise als Begrenzungen 15 zumindest einen minimalen Raildruck für den ersten und/oder den zweiten Brennstoff, sowie alternativ oder zusätzlich einen maximalen Raildruck für den ersten und/oder für den zweiten Brennstoff. Das zweite Steuermodul zweiter Ordnung 9 ist dabei bevorzugt ausgebildet, wie dies bereits in Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 erläutert wurde, also als Steuermodul zur Steuerung oder Regelung eines Luftpfads, wobei es - wie ebenfalls in
Zusammenhang mit Figur 1 bereits erläutert - vorzugsweise als zweite Vorgabewerte 13 von dem Steuermodul erster Ordnung 5 Sollwerte für einen Ladedruck und einen Lambda-Wert übermittelt erhält, wobei es an das Steuermodul erster Ordnung 5 erreichbare Werte 17 für einen minimalen Ladedruck und/oder einen minimalen Lambda-Wert, sowie alternativ oder zusätzlich erreichbare Werte für einen maximalen Ladedruck und/oder einen maximalen Lambda-Wert übermittelt. Dabei weisen vorzugsweise sowohl das zweite Ausführungsbeispiel als auch das dritte
Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine 1 ebenfalls die erste Diagnosekomponente 19 auf, die anhand der ersten Messwerte 49 die ersten Diagnoseergebnisse 21 übermittelt, wobei hier insbesondere Klappendefekte, besonders bevorzugt Defekte einer Drosselklappe in dem
Luftpfad, feststellbar sind, wobei diese Diagnoseergebnisse 21 dann von dem zweiten
Steuermodul zweiter Ordnung 9 zur Berechnung der erreichbaren Werte 17 herangezogen werden können.
Insgesamt zeigt sich, dass mithilfe des Verfahrens, der Steuereinrichtung 3 und der
Brennkraftmaschine 1 eine wenig rechenaufwendige und sehr effiziente Umsetzung eines elektronischen Gesamt-Motor-Managements geschaffen ist, wobei insbesondere eine
ganzheitliche Betrachtung der Brennkraftmaschine 1 möglich ist. Dabei ist die Berechnung auf Standard-Steuergeräten möglich, weil insbesondere durch die statische
Verbrennungsoptimierung in dem Steuermodul erster Ordnung 5 Rechenzeit und Rechenleistung eingespart werden können.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1), wobei
- wenigstens ein Steuermodul erster Ordnung (5) Vorgabewerte (11,13) für wenigstens ein
Steuermodul zweiter Ordnung (7,9) berechnet, wobei
- die Vorgabewerte (11,13) durch das wenigstens eine Steuermodul zweiter Ordnung (7,9) zur Steuerung und/oder Regelung der Brennkraftmaschine (1) verwendet werden, wobei
- eine Separation von Berechnungsschritten derart durchgeführt wird, dass
- durch das wenigstens eine Steuermodul erster Ordnung (5) eine statische Berechnung von wenigstens einem ersten Prozess der Brennkraftmaschine (1) durchgeführt wird, wobei
- durch das wenigstens eine Steuermodul zweiter Ordnung (7,9) eine dynamische
Berechnung von wenigstens einem zweiten Prozess der Brennkraftmaschine (1) durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch das wenigstens eine Steuermodul erster Ordnung (5) eine statische Berechnung von einem Prozess der
Brennkraftmaschine (1) durchgeführt wird, der auf einer ersten, kleineren Zeitskala abläuft, wobei durch das wenigstens eine Steuermodul zweiter Ordnung (7,9) eine dynamische
Berechnung von wenigstens einem zweiten Prozess der Brennkraftmaschine (1), der auf einer zweiten, größeren Zeitskala abläuft, durchgeführt wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Steuermodul erster Ordnung (5) eine modellbasierte, statische Berechnung eines Verbrennungsprozesses der Brennkraftmaschine (1) durchführt, wobei es vorzugsweise als
Vorgabewert (11,13) wenigstens einen Sollwert berechnet, der ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus einem Brennstoffdruck, insbesondere einem Raildruck, einem Spritzbeginn, einem Zündzeitpunkt, einer einzudosierenden Brennstoffmenge, einem Ladedruck, und einem Lambda- Wert.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Steuermodul zweiter Ordnung (7,9) ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus einem Steuermodul zur Regelung oder Steuerung einer Eindosierung von Brennstoff, und einem Steuermodul zur Steuerung oder Regelung eines Ladepfads.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Steuermodul zweiter Ordnung (7,9) eine Prognose von erreichbaren Werten (17) für die Vorgabewerte (11,13) durchführt und die erreichbaren Werte (17) an das wenigstens eine Steuermodul erster Ordnung (5) zurückmeldet, wobei die erreichbaren Werte (17) von dem Steuermodul erster Ordnung (5) bei der Berechnung der Vorgabewerte (11,13) berücksichtigt werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Steuermodul zweiter Ordnung (7,9) Begrenzungen (15), Diagnoseergebnisse (21) und/oder Überwachungsergebnisse bei der Prognose berücksichtigt und/oder an das
Steuermodul erster Ordnung (5) übergibt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- Zielwerte (25) für das wenigstens eine Steuermodul erster Ordnung (5) durch ein
übergeordnetes Koordinatormodul (23) berechnet werden, wobei
- das übergeordnete Koordinatormodul (23) eine modellbasierte Berechnung des Betriebs der Brennkraftmaschine ( 1 ) unter Berücksichtigung von wenigstens einem
Optimierungsziel durchführt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Zielwert (25) ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus einer Soll- Stickoxidkonzentration, einer Soll-Partikel-Konzentration oder einer Soll-Rußkonzentration, und einer Soll-Abgastemperatur.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Abgas-Steuermodul (29,31) zur Steuerung oder Regelung einer
Abgasnachbehandlungskomponente verwendet wird, wobei das Abgas-Steuermodul (29,31) vorzugsweise direkt mit dem Koordinatormodul (23) in Wirkverbindung ist.
10. Steuereinrichtung (3) für eine Brennkraftmaschine (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (3) eingerichtet ist zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
11. Brennkraftmaschine (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) eingerichtet ist zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, und/oder dass die Brennkraftmaschine (1) eine Steuereinrichtung (3) gemäß Anspruch 10 aufweist.
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