WO2019076501A1 - Verfahren zur modellbasierten steuerung und regelung einer brennkraftmaschine - Google Patents

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Andreas Flohr
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Christian Wolf
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Definitions

  • the invention relates to a method for model-based control of an internal combustion engine in which an optimizer from a first library reading an emission class for the operation of the internal combustion engine is read from the optimizer from a second library on the basis of the engine type maximum mechanical component load, the emission class and the maximum component load is set as mandatory for a combustion model and a gas path model and in which, depending on a desired torque on the
  • the behavior of an internal combustion engine is largely determined via an engine control unit as a function of a desired performance.
  • appropriate characteristics and maps are applied in today's software of the engine control unit. These are used to calculate the manipulated variables of the internal combustion engine from the desired performance, for example a desired torque, for example the start of injection and a required rail pressure.
  • These characteristics / maps are fitted with data at the manufacturer of the internal combustion engine on a test bench. However, the multiplicity of these characteristic curves / maps and the correlation of the characteristic curves / characteristic maps with each other cause a high coordination effort.
  • US 2016/0025020 A1 discloses a model-based control method for the gas path of an internal combustion engine.
  • the gas path includes both the air side and the exhaust side together with an exhaust gas recirculation.
  • the actual operating situation of the internal combustion engine is determined from the measured variables of the gas path, for example the charge air temperature or the NOx concentration.
  • a quality measure within a prediction horizon is then likewise calculated from the measured variables via a physical model of the gas path. From the quality measure and the operating situation in turn, the drive signals for the actuators of the gas path are then determined in a third step.
  • the given procedure refers exclusively to the gas path and is based on a
  • the invention is therefore based on the object to develop a method for model-based control and regulation of the entire engine at high quality.
  • the method consists of reading an emission class for the operation of the internal combustion engine from an optimizer from a first library, reading out a maximum mechanical component load from the optimizer from a second library on the basis of the internal combustion engine type, and the emission class and the maximum component load as binding for a combustion model and a
  • Gas path model can be set. Furthermore, the method consists in that, in dependence on a desired torque via the combustion model, injection system nominal values for
  • Control of the injection system actuators and via the gas path model gas path setpoints for controlling the gas path actuators are calculated and that the optimizer a quality measure in dependence of the injection system setpoints and the gas path setpoints is calculated.
  • the method is supplemented by the optimizer minimizing the quality measure by changing the injection system setpoints and gas path setpoint values within a prediction horizon and by the optimizer using the Minimized torque concernses the injection system setpoints and gas path setpoints are considered to be decisive for setting the operating point of the internal combustion engine.
  • the different legal emission classes are stored according to the global scope, for example IMO or Tier 4f.
  • different emission targets for one and the same are stored according to the global scope, for example IMO or Tier 4f.
  • Voting effort and greater flexibility in terms of location Using the second library with the maximum mechanical component load, the operator can influence the maintenance interval in a planned option. For example, a reduced combustion peak pressure means a longer useful life until the next maintenance date. The advantage here is therefore the freedom of choice. Of course, a once-matched library can be easily transferred to an internal combustion engine of the same type but with a changed number of cylinders.
  • the minimized quality measure is determined by the optimizer calculating a first quality measure at a first time, forecasting a second quality measure within the prediction horizon at a second time, and then determining a deviation of the two quality measures. If the deviation is smaller than a limit value, then the optimizer sets the second quality measure as a minimized quality measure.
  • Limit value analysis is a termination criterion insofar as further minimization would not lead to any more precise adaptation. Instead of the limit value analysis, a predefinable number of recalculations can also be set as a termination criterion.
  • a setpoint rail pressure value for a subordinate rail pressure control loop and immediately an injection start and an injection end to control an injector are specified by the optimizer as Einspritzsystem- setpoint indirectly.
  • the optimizer indirectly predefines the gas path setpoint values, for example a lambda setpoint for a subordinate lambda control loop and an EGR setpoint for a subordinate EGR control loop.
  • FIG. 1 shows a system diagram
  • FIG. 2 shows a model-based system diagram
  • FIG. 3 shows a program flowchart
  • FIG. 1 shows a system diagram of an electronically controlled
  • the common rail system comprises the following mechanical components: a low-pressure pump 3 for
  • High-pressure pump 5 for conveying the fuel under pressure increase, a rail 6 for storing the fuel and injectors 7 for injecting the fuel into the combustion chambers of the internal combustion engine 1.
  • the common rail system can also be designed with individual memories, in which case, for example, in the injector 7 a Single memory 8 is integrated as an additional buffer volume.
  • the illustrated gas path includes both the air supply and the
  • Exhaust gas turbocharger 1 1, a charge air cooler 12, a throttle valve 13, a
  • a Exhaust valve 16 In the exhaust gas discharge are arranged a Exhaust valve 16, the turbine of the exhaust gas turbocharger 1 1 and a turbine bypass valve 19. From the Abgasab Installation branches off an exhaust gas recirculation path, in which an EGR actuator 17 for adjusting the EGR rate and the EGR cooler 18 are arranged.
  • the operation of the internal combustion engine 1 is determined by an electronic control unit 10 (ECU).
  • the electronic control unit 10 includes the usual components of a microcomputer system, such as a microprocessor, I / O devices, buffers and memory devices (EEPROM, RAM). In the memory modules relevant for the operation of the internal combustion engine 1 operating data are applied as models. About this calculates the electronic control unit 10 from the input variables
  • the relevant input quantity is a setpoint torque M (DESIRED), which is specified by an operator as the desired performance.
  • the input variables of the control device 10 related to the common rail system are the rail pressure pCR, which is measured by means of a rail pressure sensor 9, and optionally the individual accumulator pressure pES.
  • the input variables of the electronic control unit 10 relating to the air path are an opening angle W1 of the throttle valve 13, the engine speed nIST, the charge air pressure pLL, the charge air temperature TLL and the humidity phi of the charge air.
  • the input variables of the electronic control unit 10 related to the exhaust gas path are an opening angle W2 of the EGR actuator 17, the exhaust gas temperature TAbgas, the air-fuel ratio lambda and the NOx actual value downstream of the turbine of the
  • electronic control unit 10 are summarized with reference numeral ON, for example, the coolant temperatures or a variable valve train.
  • Figure 1 are shown as output variables of the electronic control unit 10: a signal PWM for controlling the suction throttle 4, a signal ve for controlling the injector 7 (start of injection / injection end), a control signal DK for controlling the
  • Throttle valve 13 a control signal AGR for controlling the EGR actuator 17, a control signal TBP for controlling the turbine bypass valve 19 and an output variable OFF.
  • the output variable OFF is representative of the further control signals for controlling and regulating the internal combustion engine 1, for example for a control signal for activating a second exhaust gas turbocharger in a register charging.
  • FIG. 2 shows a model-based system diagram. In this illustration, a combustion model 20, a gas path model 21 and an optimizer 22 are listed within the electronic controller 10. Both that
  • Combustion model 20 and the gas path model 21 map the system behavior of the internal combustion engine as mathematical equations.
  • Combustion model 20 statically maps the combustion processes.
  • the gas path model 21 also depicts the dynamic behavior of the air duct and the exhaust system.
  • the combustion model 20 includes single models, for example, for NOx and soot formation, for the
  • Exhaust gas temperature, for the exhaust gas mass flow and for the peak pressure depend on the boundary conditions in the cylinder and the parameters of the injection.
  • the combustion model 20 is determined in a reference internal combustion engine in a test bench run, the so-called DoE test bench run (DoE: Design of Experiments). In the DoE test-bench run, operating parameters and manipulated variables are systematically varied with the aim of achieving the target
  • a first library 26 and a second library 27 are shown.
  • the two libraries can be integrated in the electronic control unit 10 or in a higher-level system controller, for example in a ship.
  • the optimizer 22 from the first library 26 reads the emission class.
  • emission class is for example a company of the
  • a maximum mechanical component load for example the combustion peak pressure or the maximum rotational speed of the exhaust gas turbocharger, is read from the second library 27 on the basis of the type of internal combustion engine.
  • a maximum mechanical component load for example the combustion peak pressure or the maximum rotational speed of the exhaust gas turbocharger.
  • One option is for the operator to change maximum values toward lesser values, which can extend the maintenance interval.
  • the selected emission class and the selected maximum values of the mechanical component load are then set as binding for further calculation within the combustion model and the gas path model. Thereafter, the optimizer 22 evaluates that
  • Combustion model 20 in terms of the target torque M (target), the emission limit values, the environmental boundary conditions, for example, the humidity phi the charge air, and the operating situation of the internal combustion engine. Defined is the
  • the optimizer 22 selects that solution in which a quality measure is minimized.
  • the quality measure is calculated as the integral of the quadratic desired-actual deviations within the prediction horizon. For example, in the form:
  • w1, w2 and w3 denote a corresponding weighting factor.
  • the nitrogen oxide emission results from the humidity phi of the charge air, the charge air temperature, the start of injection SB and the rail pressure pCR.
  • Command values are, for example, the start of injection and the end of injection.
  • Limiting function is for example the maximum combustion pressure, one
  • the quality measure is minimized by calculating a first quality measure from the optimizer 22 at a first time via the equation (1). After that, the
  • Injection system setpoint values and the gas path setpoints are varied, and equation (1) predicts a second measure of quality within the prediction horizon. Based on the deviation of the two quality measures to each other then sets the optimizer 22
  • the target rail pressure pCR (SL) is the reference variable for the subordinate rail pressure control loop 23.
  • the manipulated variable of the rail pressure control loop 23 corresponds to the PWM signal to supply the suction throttle.
  • the injector (FIG. 1: 7) is acted upon directly by the start of injection SB and the injection end SE.
  • the optimizer 22 indirectly determines the gas path setpoints. In the illustrated example, these are a lambda setpoint LAM (SL) and an EGR setpoint AGR (SL) for setting the lambda control loop 24 and the EGR control loop 25.
  • the returned measured variables MESS are read in by the electronic control unit 10.
  • the measured quantities MESS are to be understood as meaning directly measured physical quantities as well as auxiliary variables calculated therefrom.
  • the lambda actual value LAM (ACTUAL) and the EGR actual value AGR (ACTUAL) are read in.
  • FIG. 3 shows the method in a program flow chart, with a subroutine being shown in FIG. 3A.
  • the operating situation of the internal combustion engine is detected at S4.
  • the operating situation is defined by the measured variables, in particular by the
  • read mechanical component load for example, a maximum
  • the initial values are then generated, for example the injection start SB.
  • a first quality measure J1 is calculated using equation (1) at S7, and a running variable i is set to zero at S8. Then at S9, the initial values
  • the run variable i is increased by one.
  • a second quality measure J2 within the prediction horizon for example for the
  • the second quality measure J2 is subtracted from the first quality measure J1 and compared with a limit value GW.
  • a limit value GW On the difference formation of the two quality measures the further progress of the Quality measure checked. Alternatively, it is checked on the basis of the comparison of the run variable i with a limit value iGW how often an optimization has already been performed. The two limit value considerations are therefore an abort criterion for further optimization. If further optimization is possible, query result S12: no, then branch back to point C. Otherwise, at S13 from
  • Optimizer set the second quality measure J2 as a minimum quality measure J (min). From the minimum quality measure J (min), the injection system setpoint values and the gas path setpoints then result for the specification for the corresponding actuators. Following this, it is checked at S14 whether an engine stop has been initiated. If this is not the case, query result S14: no, branch back to point B. Otherwise, the program schedule is finished.
  • FIG. 4 shows a first tuning of the internal combustion engine according to IM03.
  • FIG. 4 comprises FIGS. 4A to 4D.
  • 4B shows the nitrogen oxide emission NOx
  • FIG. 4C shows the start of injection SB in degrees crankshaft angle before top dead center (TDC)
  • FIG. 4D shows the profile of the peak pressure PMax.
  • FIG. 5 shows a second tuning of the internal combustion engine according to Tier 4 final.
  • Figure 5 comprises Figures 5A to 5D which show the same quantities over time as Figures 4A to 4D. The time range before t0 corresponds to the
  • the prediction horizon for example 8s, corresponds to the time range t0 to t0 + tp.
  • ts is a calculation time designated at which a new setpoint, for example, the injection start SB, is output from the electronic control unit.
  • the input quantity is a setpoint torque M (SOLL) which can be specified by the operator, here: the end value M2.
  • the initial value M1 of the target torque corresponds to the time t0 is an NOx target NOx1 ( Figure 4B) and a start of injection SB1 ( Figure 4C).
  • the actual torque M (IST) and the NOx actual value NOx (IST) are read.
  • the NOx actual value is calculated as a function of the measured air pressures in the air path and the start of injection SB, here: SB1 (FIG. 4C).
  • SB1 start of injection SB
  • FIG. 4B shows the deviation of the NOx actual value NOx (IST) from the NOx nominal value NOx (SL) as a hatched area.
  • the optimizer calculates a first quality measure via equation (1).
  • the optimizer then changes the direct and indirect manipulated variables and uses equation (1) to calculate the manipulated variables for a second quality measure.
  • the direct and indirect manipulated variables are shown in FIG. In the figure 4C is shown as an exemplary control variable of the injection start SB.
  • the optimizer determines how a change, for example, in the start of injection SB from the initial value SB1 to the final value SB2 within the prediction horizon.
  • the quality measure is minimized, that is, it is checked whether further optimization is promising. It can be seen from FIGS. 4A and 4B that at the time tO + tP another one
  • FIG. 5 is based on an emission class according to Tier 4 final and an operating mode selected by the operator, in which the combustion pressure should always be significantly smaller than the maximum combustion pressure PMax, resulting in a prolonged operating time.
  • the operator increases the nominal torque from the initial value M1 to the final value M3.
  • the calculation of the first and the second quality measure via the equation (1) corresponds to the description of FIG. 4.
  • the comparison of FIGS. 4 and 5 reveals the influence of the two libraries.
  • NOx target value NOx (SL) in FIG. 5B is clearly oriented toward lower values, and due to the course of the combustion pressure at the maximum limit PMax, a higher actual moment M (IST) can be achieved at a much earlier point in time.
  • EGR actuator exhaust gas recirculation

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Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur modellbasierten Steuerung und Regelung einer Brennkraftmaschine (1), bei dem von einem Optimierer (22) aus einer ersten Bibliothek (26) eine Emissionsklasse für den Betrieb der Brennkraftmaschine (1) eingelesen wird, vom Optimierer (22) aus einer zweiten Bibliothek (27) anhand des Brennkraftmaschinentyps eine maximale mechanische Bauteilbelastung ausgelesen wird, die Emissionsklasse und die Bauteilbelastung als verbindlich für ein Verbrennungsmodell (20) und ein Gaspfadmodell (21) gesetzt werden, bei dem in Abhängigkeit eines Sollmoments über das Verbrennungsmodell (20) Einspritzsystem-Sollwerte zur Ansteuerung der Einspritzsystem-Stellglieder und über das Gaspfadmodell (21) Gaspfad-Sollwerte zur Ansteuerung der Gaspfad-Stellglieder berechnet werden, bei dem vom Optimierer (22) ein Gütemaß in Abhängigkeit der Einspritzsystem-Sollwerte und der Gaspfad-Sollwerte berechnet wird, vom Optimierer (22) das Gütemaß über Veränderung der Einspritzsystem-Sollwerte und Gaspfad-Sollwerte innerhalb eines Prädiktionshorizonts minimiert wird und bei dem vom Optimierer (22) anhand des minimierten Gütemaßes die Einspritzsystem-Sollwerte und Gaspfad-Sollwerte als maßgeblich zur Einstellung des Betriebspunkts der Brennkraftmaschine (1) gesetzt werden.

Description

Verfahren zur modellbasierten Steuerung und Regelung einer Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur modellbasierten Steuerung und Regelung einer Brennkraftmaschine, bei dem von einem Optimierer aus einer ersten Bibliothek eine Emissionsklasse für den Betrieb der Brennkraftmaschine eingelesen wird, vom Optimierer aus einer zweiten Bibliothek anhand des Brennkraftmaschinentyps eine maximale mechanische Bauteilbelastung ausgelesen wird, die Emissionsklasse und die maximale Bauteilbelastung als verbindliche für ein Verbrennungsmodell und ein Gaspfadmodell gesetzt werden und bei dem in Abhängigkeit eines Soll-Moments über das
Verbrennungsmodell Einspritzsystem-Sollwerte zur Ansteuerung der Einspritzsystem- Stellglieder und über ein Gaspfadmodell Gaspfad-Sollwerte zur Ansteuerung der
Gaspfad-Stellglieder berechnet werden.
Das Verhalten einer Brennkraftmaschine wird maßgeblich über ein Motorsteuergerät in Abhängigkeit eines Leistungswunsches bestimmt. Hierzu sind in der heutigen Software des Motorsteuergeräts entsprechende Kennlinien und Kennfelder appliziert. Über diese werden aus dem Leistungswunsch, zum Beispiel einem Soll-Moment, die Stellgrößen der Brennkraftmaschine berechnet, zum Beispiel der Spritzbeginn und ein erforderlicher Raildruck. Mit Daten bestückt werden diese Kennlinien/Kennfelder beim Hersteller der Brennkraftmaschine auf einem Prüfstand. Die Vielzahl dieser Kennlinien/Kennfelder und die Korrelation der Kennlinien/Kennfelder untereinander verursachen allerdings einen hohen Abstimmungsaufwand.
In der Praxis wird daher versucht den Abstimmungsaufwand durch die Verwendung von mathematischen Modellen zu reduzieren. So beschreibt zum Beispiel
die DE 10 2006 004 516 B3 ein Bayesnetz mit Wahrscheinlichkeitstabellen zur
Festlegung einer Einspritzmenge und die US 201 1/0172897 A1 ein Verfahren zur Adaption des Spritzbeginns sowie der Spritzmenge über Verbrennungsmodelle mittels neuronaler Netze, Kritisch ist hierbei, dass lediglich trainierte Daten abgebildet werden, die erst bei einem Prüfstandslauf gelernt werden müssen.
Aus der US 2016/0025020 A1 ist ein modellbasiertes Regelverfahren für den Gaspfad einer Brennkraftmaschine bekannt. Der Gaspfad umfasst sowohl die Luftseite als auch die Abgasseite nebst einer Abgas-Rückführung. In einem ersten Schritt des Verfahrens wird aus den Messgrößen des Gaspfads, zum Beispiel der Ladelufttemperatur oder der NOx-Konzentration, die aktuelle Betriebssituation der Brennkraftmaschine festgestellt. In einem zweiten Schritt wird dann ebenfalls aus den Messgrößen über ein physikalisches Modell des Gaspfads ein Gütemaß innerhalb eines Prädiktionshorizonts berechnet. Aus dem Gütemaß und der Betriebssituation wiederum werden dann in einem dritten Schritt die Ansteuersignale für die Stellglieder des Gaspfads festgelegt. Das angegebene Verfahren bezieht sich ausschließlich auf den Gaspfad und basiert auf einem
linearisierten Gaspfadmodell. Durch die Linearisierung bedingt ist ein Informationsverlust unvermeidbar.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur modellbasierten Steuerung und Regelung der ganzen Brennkraftmaschine bei hoher Güte zu entwickeln.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale von Anspruch 1. Die Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen dargestellt.
Das Verfahren besteht darin, dass von einem Optimierer aus einer ersten Bibliothek eine Emissionsklasse für den Betrieb der Brennkraftmaschine eingelesen wird, vom Optimierer aus einer zweiten Bibliothek anhand des Brennkraftmaschinentyps eine maximale mechanische Bauteilbelastung ausgelesen wird und die Emissionsklasse und die maximale Bauteilbelastung als verbindlich für ein Verbrennungsmodell und ein
Gaspfadmodell gesetzt werden. Ferner besteht das Verfahren darin, dass in Abhängigkeit eines Sollmoments über das Verbrennungsmodell Einspritzsystem-Sollwerte zur
Ansteuerung der Einspritzsystem-Stellglieder und über das Gaspfadmodell Gaspfad- Sollwerte zur Ansteuerung der Gaspfad-Stellglieder berechnet werden und dass vom Optimierer ein Gütemaß in Abhängigkeit der Einspritzsystem-Sollwerte und der Gaspfad- Sollwerte berechnet wird. Ergänzt wird das Verfahren dadurch, dass vom Optimierer das Gütemaß über Veränderung der Einspritzsystem-Sollwerte und Gaspfad-Sollwerte innerhalb eines Prädiktionshorizonts minimiert wird und vom Optimierer anhand des minimierten Gütemaßes die Einspritzsystem-Sollwerte und Gaspfad-Sollwerte als maßgeblich zur Einstellung des Betriebspunkts der Brennkraftmaschine gesetzt werden.
In der ersten Bibliothek sind die unterschiedlichen gesetzlichen Emissionsklassen entsprechend dem globalen Anwendungsbereich, zum Beispiel IMO oder Tier 4f, abgelegt. Dadurch sind unterschiedliche Emissionsziele für ein und denselben
Brennkraftmaschinentyp darstellbar. Von Vorteil sind der reduzierte
Abstimmungsaufwand und eine größere Flexibilität hinsichtlich des Einsatzortes. Über die zweite Bibliothek mit der maximalen mechanischen Bauteilbelastung kann in einer vorgesehenen Option der Betreiber das Wartungsintervall beeinflussen. Zum Beispiel bedeutet ein reduzierter Verbrennungsspitzendruck eine längere Nutzungsdauer bis zum nächsten Wartungstermin. Von Vorteil ist hier also die Wahlfreiheit. Selbstverständlich lässt sich eine einmal abgestimmte Bibliothek auf eine Brennkraftmaschine desselben Typs aber mit geänderter Zylinderzahl problemlos übertragen.
Bestimmt wird das minimierte Gütemaß, indem vom Optimierer zu einem ersten Zeitpunkt ein erstes Gütemaß berechnet wird, zu einem zweiten Zeitpunkt ein zweites Gütemaß innerhalb des Prädiktionshorizonts prognostiziert wird und anschließend eine Abweichung der beiden Gütemaße bestimmt wird. Ist die Abweichung kleiner als ein Grenzwert, so wird vom Optimierer das zweite Gütemaß als minimiertes Gütemaß gesetzt. Die
Grenzwertbetrachtung ist insofern ein Abbruchkriterium, da eine weitere Minimierung zu keiner noch präziseren Anpassung führen würde. Anstelle der Grenzwertbetrachtung kann auch eine vorgebbaren Anzahl von Neuberechnungen als Abbruchkriterium gesetzt werden.
Anhand des minimierten Gütemaßes werden dann vom Optimierer als Einspritzsystem- Sollwert mittelbar ein Raildruck-Sollwert für einen unterlagerten Raildruck-Regelkreis und unmittelbar ein Spritzbeginn sowie ein Spritzende zur Ansteuerung eines Injektors vorgegeben. Ergänzend werden dann vom Optimierer mittelbar die Gaspfad-Sollwerte, zum Beispiel ein Lambda-Sollwert für einen unterlagerten Lambda-Regelkreis und ein AGR-Sollwert für einen unterlagerten AGR-Regelkreis, vorgegeben.
Sowohl das Verbrennungsmodell als auch das Gaspfadmodell bilden das
Systemverhalten der Brennkraftmaschine als mathematische Gleichungen ab. Bestimmt werden diese einmalig anhand einer Referenz-Brennkraftmaschine bei einem Prüfstandslauf, dem sogenannten DoE-Prüfstandslauf (DoE: Design of Experiments) oder aus Simulationsversuchen. Eine Unterscheidung in einen stationären und einen transienten Betrieb, zum Beispiel bei einer Lastaufschaltung im Generatorbetrieb, ist nicht mehr erforderlich. Zudem wird das Sollmoment unter Einhaltung der
Emissionsgrenzwerte präzise eingestellt. Die Modelle sind einzeln abstimmbar, wobei die Modelle in der Summe die Brennkraftmaschine abbilden. Die bisher erforderlichen Kennlinien und Kennfelder können somit entfallen. Die bekannten Vorteile einer
Programm basierten Lösung wie Nachrüstbarkeit oder Anpassung an gesetzliche
Vorgaben sind auch hier gegeben.
In den Figuren ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt. Es zeigen:
Figur 1 ein Systemschaubild,
Figur 2 ein modellbasiertes Systemschaubild,
Figur 3 einen Programm-Ablaufplan,
Figur 4 Zeitdiagramme, Abstimmung 1 und
Figur 5 Zeitdiagramme, Abstimmung 2.
Die Figur 1 zeigt ein Systemschaubild einer elektronisch gesteuerten
Brennkraftmaschine 1 mit einem Common-Railsystem. Das Common-Railsystem umfasst folgende mechanische Komponenten: eine Niederdruckpumpe 3 zur
Förderung von Kraftstoff aus einem Kraftstofftank 2, eine veränderbare Saugdrossel 4 zur Beeinflussung des durchströmenden Kraftstoff-Volumenstroms, eine
Hochdruckpumpe 5 zur Förderung des Kraftstoffs unter Druckerhöhung, ein Rail 6 zum Speichern des Kraftstoffs und Injektoren 7 zum Einspritzen des Kraftstoffs in die Brennräume der Brennkraftmaschine 1. Optional kann das Common-Railsystem auch mit Einzelspeichern ausgeführt sein, wobei dann zum Beispiel im Injektor 7 ein Einzelspeicher 8 als zusätzliches Puffervolumen integriert ist. Die weitere
Funktionalität des Common-Railsystems wird als bekannt vorausgesetzt.
Der dargestellte Gaspfad umfasst sowohl die Luftzuführung als auch die
Abgasabführung. Angeordnet sind in der Luftzuführung der Verdichter eines
Abgasturboladers 1 1 , ein Ladeluftkühler 12, eine Drosselklappe 13, eine
Einmündungssteile 14 zur Zusammenführung der Ladeluft mit dem rückgeführten Abgas und das Einlassventil 15. In der Abgasabführung angeordnet sind ein Auslassventil 16, die Turbine des Abgasturboladers 1 1 und ein Turbinen- Bypassventil 19. Aus der Abgasabführung zweigt ein Abgasrückführungspfad ab, in welchem ein AGR-Stellglied 17 zur Einstellung der AGR-Rate und der AGR-Kühler 18 angeordnet sind.
Die Betriebsweise der Brennkraftmaschine 1 wird durch ein elektronisches Steuergerät 10 (ECU) bestimmt. Das elektronische Steuergerät 10 beinhaltet die üblichen Bestandteile eines Mikrocomputersystems, beispielsweise einen Mikroprozessor, I/O-Bausteine, Puffer und Speicherbausteine (EEPROM, RAM). In den Speicherbausteinen sind die für den Betrieb der Brennkraftmaschine 1 relevanten Betriebsdaten als Modelle appliziert. Über diese berechnet das elektronische Steuergerät 10 aus den Eingangsgrößen die
Ausgangsgrößen. Die maßgebliche Eingangsgröße ist ein Sollmoment M(SOLL), welches von einem Bediener als Leistungswunsch vorgegeben wird. Die auf das Common- Railsystem bezogenen Eingangsgrößen des Steuergeräts 10 sind der Raildruck pCR, der mittels eines Rail-Drucksensors 9 gemessen wird, und optional der Einzelspeicherdruck pES. Die auf den Luftpfad bezogenen Eingangsgrößen des elektronischen Steuergeräts 10 sind ein Öffnungswinkel W1 der Drosselklappe 13, die Motordrehzahl nIST, der Ladeluftdruck pLL, die Ladelufttemperatur TLL und die Feuchte phi der Ladeluft. Die auf den Abgaspfad bezogenen Eingangsgrößen des elektronischen Steuergeräts 10 sind ein Öffnungswinkel W2 des AGR-Stellglieds 17, die Abgastemperatur TAbgas, das Luft- Kraftstoffverhältnis Lambda und der NOx-lstwert stromab der Turbine des
Abgasturboladers 1 1. Die weiteren nicht dargestellten Eingangsgrößen des
elektronischen Steuergeräts 10 sind mit Bezugszeichen EIN zusammengefasst, beispielsweise die Kühlmitteltemperaturen oder ein variabler Ventiltrieb.
In Figur 1 sind als Ausgangsgrößen des elektronischen Steuergeräts 10 dargestellt: ein Signal PWM zur Ansteuerung der Saugdrossel 4, ein Signal ve zur Ansteuerung des Injektors 7 (Spritzbeginn/ Spritzende), ein Stellsignal DK zur Ansteuerung der
Drosselklappe 13, ein Stellsignal AGR zur Ansteuerung des AGR-Stellglieds 17, ein Stellsignal TBP zur Ansteuerung des Turbinen-Bypassventils 19 und eine Ausgangsgröße AUS. Die Ausgangsgröße AUS steht stellvertretend für die weiteren Stellsignale zur Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine 1 , beispielsweise für ein Stellsignal zur Aktivierung eines zweiten Abgasturboladers bei einer Registeraufladung. Die Figur 2 zeigt ein modellbasiertes Systemschaubild. Bei dieser Darstellung sind innerhalb des elektronischen Steuergeräts 10 ein Verbrennungsmodell 20, ein Gaspfadmodell 21 und ein Optimierer 22 aufgeführt. Sowohl das
Verbrennungsmodell 20 als auch das Gaspfadmodell 21 bilden das Systemverhalten der Brennkraftmaschine als mathematische Gleichungen ab. Das
Verbrennungsmodell 20 bildet statisch die Vorgänge bei der Verbrennung ab. Im Unterschied hierzu bildet das Gaspfadmodell 21 auch das dynamische Verhalten der Luftführung und der Abgasführung ab. Das Verbrennungsmodell 20 beinhaltet Einzelmodelle, zum Beispiel für die NOx- und Rußentstehung, für die
Abgastemperatur, für den Abgasmassenstrom und für den Spitzendruck. Diese Einzelmodelle wiederum hängen ab von den Randbedingungen im Zylinder und den Parametern der Einspritzung. Bestimmt wird das Verbrennungsmodell 20 bei einer Referenz-Brennkraftmaschine in einem Prüfstandslauf, dem sogenannte DoE- Prüfstandslauf (DoE: Design of Experiments). Beim DoE-Prüfstandslauf werden systematisch Betriebsparameter und Stellgröße mit dem Ziel variiert, das
Gesamtverhalten der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von motorischen Größen und Umweltrandbedingungen abzubilden. Ergänzend sind eine erste Bibliothek 26 und eine zweite Bibliothek 27 dargestellt. Die beiden Bibliotheken können im elektronischen Steuergerät 10 oder in einem übergeordneten Anlagenregler, zum Beispiel bei einem Schiff, integriert sein.
In einem ersten Schritt liest der Optimierer 22 aus der ersten Bibliothek 26 die Emissionsklasse ein. Unter Emissionsklasse ist zum Beispiel ein Betrieb der
Brennkraftmaschine entsprechend dem MARPOL (Marine Pollution) der IMO oder EU IV / Tier 4 final zu verstehen. In einem zweiten Schritt werden aus der zweiten Bibliothek 27 anhand des Brennkraftmaschinentyps eine maximale mechanische Bauteilbelastung, zum Beispiel der Verbrennungsspitzendruck oder die maximale Drehzahl des Abgasturboladers, eingelesen. In einer Option ist vorgesehen, dass der Bediener Maximalwerte in Richtung geringerer Werte verändern kann, wodurch sich das Wartungsintervall verlängern lässt. Die ausgewählte Emissionsklasse und die ausgewählten maximalen Werte der mechanischen Bauteilbelastung werden dann als verbindlich für die weitere Berechnung innerhalb des Verbrennungsmodells und des Gaspfadmodells gesetzt. Danach wertet der Optimierer 22 das
Verbrennungsmodell 20 aus und zwar hinsichtlich des Sollmoments M(SOLL), der Emissionsgrenzwerte, der Umweltrandbedingungen, zum Beispiel die Feuchte phi der Ladeluft, und der Betriebssituation der Brennkraftmaschine. Definiert wird die
Betriebssituation durch die Motordrehzahl nIST, die Ladelufttemperatur TLL, den
Ladeluftdruck pLL usw. Die Funktion des Optimierers 22 besteht nun darin, die
Einspritzsystem-Sollwerte zur Ansteuerung der Einspritzsystem-Stellglieder und die Gaspfad-Sollwerte zur Ansteuerung der Gaspfad-Stellglieder zu bewerten. Hierbei wählt der Optimierer 22 diejenige Lösung aus, bei der ein Gütemaß minimiert wird.
Berechnet wird das Gütemaß zum Beispiel als Integral der quadratischen Soll- Istabweichungen innerhalb des Prädiktionshorizonts. Beispielsweise in der Form:
(1 ) J = I [w1 (NOx(SOLL)-NOx(IST)]2 + [w2(M(SOLL)-M(IST)]2 + [w3(....)] + ...
Hierin bedeuten w1 , w2 und w3 einen entsprechenden Gewichtungsfaktor.
Bekanntermaßen ergibt sich die Stickoxidemission aus der Feuchte phi der Ladeluft, der Ladelufttemperatur, dem Spritzbeginn SB und dem Raildruck pCR.
In der Gleichung (1) werden eine Begrenzung der Stellgrößen SG und eine
Begrenzungsfunktion BF berücksichtigt. Hierfür gilt:
(2) SG(min) < SG .s SG(max) und
(3) BF <; Max
Stellgrößen sind zum Beispiel der Spritzbeginn und das Spritzende. Eine
Begrenzungsfunktion ist zum Beispiel der maximale Verbrennungsdruck, eine
maximale Drehzahl des Abgasturboladers oder eine maximale Abgastemperatur.
Minimiert wird das Gütemaß, indem vom Optimierer 22 zu einem ersten Zeitpunkt über die Gleichung (1 ) ein erstes Gütemaß berechnet wird. Danach werden die
Einspritzsystem-Sollwerte sowie die Gaspfad-Sollwerte variiert und über die Gleichung (1 ) wird ein zweites Gütemaß innerhalb des Prädiktionshorizonts prognostiziert. Anhand der Abweichung der beiden Gütemaße zueinander legt dann der Optimierer 22 die
Stellgrößen für ein minimales Gütemaß fest und setzt dieses als maßgeblich für die Brennkraftmaschine. Für das in der Figur dargestellte Beispiel sind dies für das
Einspritzsystem der Soll-Raildruck pCR(SL) und der Spritzbeginn SB sowie das
Spritzende SE. Der Soll-Raildruck pCR(SL) ist die Führungsgröße für den unterlagerten Raildruck-Regelkreis 23. Die Stellgröße des Raildruck-Regelkreises 23 entspricht dem PWM-Signal zu Beaufschlagung der Saugdrossel. Mit dem Spritzbeginn SB und dem Spritzende SE wird der Injektor (Fig. 1 : 7) unmittelbar beaufschlagt. Für den Gaspfad bestimmt der Optimierer 22 mittelbar die Gaspfad-Sollwerte. Bei dem dargestellten Beispiel sind dies ein Lamda-Sollwert LAM(SL) und ein AGR-Sollwert AGR(SL) zur Vorgabe für den Lambda-Regelkreis 24 und den AGR-Regelkreis 25. Die rückgeführten Messgrößen MESS werden vom elektronischen Steuergerät 10 eingelesen. Unter den Messgrößen MESS sind sowohl unmittelbar gemessene physikalische Größen als auch daraus berechnete Hilfsgrößen zu verstehen. Bei dem dargestellten Beispiel werden der Lamda-Istwert LAM(IST) und der AGR-Istwert AGR(IST) eingelesen.
In der Figur 3 ist das Verfahren in einem Programm-Ablaufplan dargestellt, wobei in der Figur 3A ein Unterprogramm dargestellt ist. Nach der Initialisierung bei S1 wird bei S2 geprüft, ob der Startvorgang beendet ist. Läuft dieser noch, Abfrageergebnis S2: nein, wird zum Punkt A zurückverzweigt. Ist der Startvorgang beendet, so wird bei S3 das vom Bediener vorgebbare Sollmoment M(SOLL) eingelesen. Im
Anschluss daran wird bei S4 die Betriebssituation der Brennkraftmaschine erfasst. Definiert wird die Betriebssituation über die Messgrößen, insbesondere über die
Motordrehzahl nIST, die Ladelufttemperatur TLL, den Ladeluftdruck pLL, die Feuchte phi der Ladeluft usw.. Bei S5 wird das Unterprogramm Optimierer der Figur 3A aufgerufen. In diesem Unterprogramm wird bei S5A aus der ersten Bibliothek eine anwendungsortspezifische Emissionsklasse, zum Beispiel IMO oder Tier 4 final, eingelesen. Danach wird bei S6A aus der zweiten Bibliothek die maximale
mechanische Bauteilbelastung eingelesen, zum Beispiel ein maximaler
Verbrennungsspitzendruck von 200 bar. Im Anschluss wird in das Hauptprogramm der Figur 3 zu Schritt S5 zurückgekehrt.
Bei S6 werden dann die Anfangswerte erzeugt, zum Beispiel der Spritzbeginn SB.
Ein erstes Gütemaß J1 wird anhand der Gleichung (1 ) bei S7 berechnet und bei S8 eine Laufvariable i auf null gesetzt. Danach werden bei S9 die Anfangswerte
verändert und als neue Sollwerte für die Stellgrößen berechnet. Bei S10 wird die Laufvariable i um eins erhöht. Anhand der neuen Sollwerte wird dann bei S1 1 ein zweites Gütemaß J2 innerhalb des Prädiktionshorizonts, zum Beispiel für die
nächsten 8 Sekunden, prognostiziert. Bei S12 wiederum wird das zweite Gütemaß J2 vom ersten Gütemaß J1 subtrahiert und mit einem Grenzwert GW verglichen. Über die Differenzbildung der beiden Gütemaße wird der weitere Fortschritt des Gütemaßes abgeprüft. Alternativ wird anhand des Vergleichs der Laufvariablen i mit einem Grenzwert iGW geprüft wie oft bereits eine Optimierung durchlaufen wurde. Die beiden Grenzwertbetrachtungen sind insofern ein Abbruchkriterium für eine weitere Optimierung. Ist eine weitere Optimierung möglich, Abfrageergebnis S12: nein, so wird zum Punkt C zurückverzweigt. Anderenfalls wird bei S13 vom
Optimierer das zweite Gütemaß J2 als minimales Gütemaß J(min) gesetzt. Aus dem minimalen Gütemaß J(min) resultieren dann die Einspritzsystem-Sollwerte und die Gaspfad-Sollwerte zur Vorgabe für die entsprechenden Stellglieder. Im Anschluss daran wird bei S14 geprüft, ob ein Motorstopp initiiert wurde. Ist dies nicht der Fall, Abfrageergebnis S14: nein, wird zum Punkt B zurückverzweigt. Anderenfalls ist der Programm-Ablaufplan beendet.
In der Figur 4 ist eine erste Abstimmung der Brennkraftmaschine gemäß IM03 dargestellt. Die Figur 4 umfasst die Figuren 4A bis 4D. Hierbei zeigen jeweils über der Zeit die Figur 4A einen Momentenverlauf, die Figur 4B die Stickoxid-Emission NOx, die Figur 4C den Spritzbeginn SB in Grad Kurbelwellenwinkel vor dem oberen Totpunkt (OT) und die Figur 4D den Verlauf des Spitzendrucks PMax. In der Figur 5 ist eine zweite Abstimmung der Brennkraftmaschine gemäß Tier 4 final dargestellt. Die Figur 5 umfasst die Figuren 5A bis 5D, welche dieselben Größen über der Zeit zeigen wie die Figuren 4A bis 4D. Der Zeitbereich vor tO entspricht der
Vergangenheit. Der Prädiktionshorizont, zum Beispiel 8s, entspricht dem Zeitbereich tO bis tO+tp. Mit ts ist eine Berechnungszeit bezeichnet, bei der ein neuer Sollwert, zum Beispiel der Spritzbeginn SB, vom elektronischen Steuergerät ausgegeben wird.
Zunächst wird der Ablauf nach der Figur 4 erklärt. Vom Bediener wurde eine
Betriebsweise ausgewählt, bei welcher die volle Leistung der Brennkraftmaschine ausgeschöpft werden soll. Nachdem der Startvorgang abgeschlossen ist, wird vom Optimierer aus der ersten Bibliothek die Emissionsklasse für den Betrieb der
Brennkraftmaschine eingelesen, hier also die Emissionsklasse gemäß IM03. Danach wird vom Optimierer aus der zweiten Bibliothek anhand des
Brennkraftmaschinentyps die maximale mechanische Bauteilbelastung ausgelesen, zum Beispiel der maximale Verbrennungsdruck von PMax=200 bar (Figur 4D).
Die Eingangsgröße ist ein vom Bediener vorgebbares Sollmoment M(SOLL), hier: der Endwert M2. Zum Anfangswert M1 des Sollmoments korrespondieren zum Zeitpunkt t0 ein NOx-Sollwert NOx1 (Fig. 4B) und ein Spritzbeginn SB1 (Fig. 4C). Ebenfalls zum Zeitpunkt tO werden das Istmoment M(IST) und der NOx-lstwert NOx(IST) eingelesen. Berechnet wird der NOx-lstwert in Abhängigkeit der gemessenen Luftdrücke im Luftpfad und des Spritzbeginns SB, hier: SB1 (Fig. 4C). In den Figuren 4A ist die Abweichung des Ist-Moments M(IST) zum Sollmoment M(SOLL) als schraffierte Fläche dargestellt. In der Figur 4 B ist die Abweichung des NOx-lstwerts NOx(IST) zum NOx-Sollwert NOx(SL) als schraffierte Fläche dargestellt. Zum Zeitpunkt tO berechnet der Optimierer über die Gleichung (1 ) ein erstes Gütemaß. Anschließend verändert der Optimierer die mittelbaren und unmittelbaren Stellgrößen und berechnet über die Gleichung (1) die Stellgrößen für ein zweites Gütemaß. Die mittelbaren und unmittelbaren Stellgrößen sind in der Figur 2 dargestellt. In der Figur 4C ist als exemplarische Stellgröße der Spritzbeginn SB dargestellt. Mit anderen Worten: der Optimierer bestimmt zum Zeitpunkt tO wie sich eine Veränderung zum Beispiel des Spritzbeginns SB vom Anfangswert SB1 auf den Endwert SB2 innerhalb des Prädiktionshorizonts auswirkt. Über Differenzbildung des zweiten Gütemaßes zum ersten Gütemaß und Grenzwertbetrachtung wird das Gütemaß minimiert, das heißt, es wird geprüft, ob eine weitere Optimierung erfolgversprechend ist. Aus den Figuren 4A und 4B wird ersichtlich, dass zum Zeitpunkt tO+tP eine weitere
Verbesserung des zweiten Gütemaßes nicht mehr erfolgversprechend ist, da hier die Istwerte den Sollwerten entsprechen.
Der Figur 5 ist eine Emissionsklasse gemäß Tier 4 final zugrunde gelegt und eine Betriebsart vom Betreiber ausgewählt, bei der der Verbrennungsdruck stets deutlich kleiner sein soll als der maximale Verbrennungsdruck PMax, woraus eine verlängerte Betriebsdauer resultiert. Vom Bediener wird das Sollmoment vom Anfangswert M1 auf den Endwert M3 erhöht. Die Berechnung des ersten und des zweiten Gütemaßes über die Gleichung (1) entspricht der Beschreibung der Figur 4. Aus dem Vergleich der Figuren 4 und 5 wird der Einfluss der beiden Bibliotheken deutlich. So ist der NOx-Sollwert NOx(SL) in der Figur 5B deutlich zu geringeren Werten ausgerichtet und aufgrund des Verlaufs des Verbrennungsdrucks an der maximalen Grenze PMax kann zu einem wesentlich früheren Zeitpunkt ein höheres Ist-Moment M(IST) erreicht werden. Bezugszeichen
1 Brennkraftmaschine
2 Kraftstofftank
3 Niederdruckpumpe
4 Saugdrossel
5 Hochdruckpumpe
6 Rail
7 Injektor
8 Einzelspeicher
9 Rail-Drucksensor
10 Elektronisches Steuergerät
1 1 Abgasturbolader
12 Ladeluftkühler
13 Drosselklappe
14 Einmündungssteile
15 Einlassventil
16 Auslassventil
17 AGR-Stellglied (AGR: Abgasrückführung)
18 AGR-Kühler
19 Turbinen-Bypassventil
20 Verbrennungsmodell
21 Gaspfadmodell
22 Optimierer
23 Raildruck-Regelkreis
24 Lambda-Regelkreis
25 AGR-Regelkreis
26 Erste Bibliothek
27 Zweite Bibliothek

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur modellbasierten Steuerung und Regelung einer Brennkraftmaschine (1 ), bei dem von einem Optimierer (22) aus einer ersten Bibliothek (26) eine Emissionsklasse für den Betrieb der Brennkraftmaschine (1) eingelesen wird, vom Optimierer (22) aus einer zweiten Bibliothek (27) anhand des
Brennkraftmaschinentyps eine maximale mechanische Bauteilbelastung
ausgelesen wird, die Emissionsklasse und die Bauteilbelastung als verbindlich für ein Verbrennungsmodell (20) und ein Gaspfadmodell (21 ) gesetzt werden, bei dem in Abhängigkeit eines Sollmoments (M(SOLL)) über das Verbrennungsmodell (20) Einspritzsystem-Sollwerte zur Ansteuerung der Einspritzsystem-Stellglieder und über das Gaspfadmodell (21 ) Gaspfad-Sollwerte zur Ansteuerung der Gaspfad- Stellglieder berechnet werden, bei dem vom Optimierer (22) ein Gütemaß (J) in Abhängigkeit der Einspritzsystem-Sollwerte und der Gaspfad-Sollwerte berechnet wird, vom Optimierer (22) das Gütemaß (J) über Veränderung der Einspritzsystem- Sollwerte und Gaspfad-Sollwerte innerhalb eines Prädiktionshorizonts minimiert wird und bei dem vom Optimierer (22) anhand des minimierten Gütemaßes (J(min)) die Einspritzsystem-Sollwerte und Gaspfad-Sollwerte als maßgeblich zur
Einstellung des Betriebspunkts der Brennkraftmaschine (1 ) gesetzt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Bibliothek (26) gesetzliche Emissionsklassen entsprechend dem globalen
Anwendungsbereich abgelegt werden,
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gütemaß (J) minimiert wird, indem vom Optimierer (22) zu einem ersten Zeitpunkt ein erstes Gütemaß (J1 ) berechnet wird, zu einem zweiten Zeitpunkt ein zweites Gütemaß (J2) innerhalb des Prädiktionshorizonts prognostiziert wird, eine Abweichung aus erstem (J1 ) und zweitem Gütemaß (J2) bestimmt wird und vom Optimierer (22) das zweite Gütemaß (J2) als minimiertes Gütemaß (J(min)) gesetzt wird, bei dem die Abweichung kleiner als ein Grenzwert (GW) wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Gütemaß (J)
minimiert wird, indem vom Optimierer (22) zu einem ersten Zeitpunkt ein erstes Gütemaß (J1 ) berechnet wird, zu einem zweiten Zeitpunkt ein zweites Gütemaß (J2) innerhalb des Prädiktionshorizonts prognostiziert wird und vom Optimierer (22) das zweite Gütemaß (J2) als minimiertes Gütemaß (J(min)) nach Durchlaufen einer vorgebbaren Anzahl (i) von Neuberechnungen gesetzt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass vom Optimierer (22) als Einspritzsystem-Sollwert mittelbar ein Raildruck-Sollwert (pCR(SL)) für einen unterlagerten Raildruck-Regelkreis (23) vorgegeben wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass vom Optimierer (22) als Einspritzsystem-Sollwert unmittelbar ein Spritzbeginn (SB) und ein Spritzende (SE) zur Ansteuerung eines Injektors (7) vorgegeben werden.
7. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass vom Optimierer (22) mittelbar Gaspfad-Sollwerte für unterlagerte Gaspfad-Regelkreise (24, 25) vorgegeben werden.
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