DE102018006312B4 - Verfahren zur modellbasierten Steuerung und Regelung einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Verfahren zur modellbasierten Steuerung und Regelung einer Brennkraftmaschine (1), bei dem in Abhängigkeit eines Sollmoments (M(SOLL)) über ein Verbrennungsmodell (20) Einspritzsystem-Sollwerte zur Ansteuerung der Einspritzsystem-Stellglieder und über ein Gaspfadmodell (22) Gaspfad-Sollwerte zur Ansteuerung der Gaspfad-Stellglieder berechnet werden, bei dem das Verbrennungsmodell (20) im laufenden Betrieb der Brennkraftmaschine (1) angepasst wird, bei dem von einem Optimierer (23) ein Gütemaß (J) über Veränderung der Einspritzsystem-Sollwerte und Gaspfad-Sollwerte innerhalb eines Prädiktionshorizonts minimiert wird und bei dem vom Optimierer (23) anhand des minimierten Gütemaßes die Einspritzsystem-Sollwerte und Gaspfad-Sollwerte als maßgeblich zur Einstellung des Betriebspunkts der Brennkraftmaschine (1) gesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbrennungsmodell (20) in Form eines vollständig datenbasierten Modells (33) im laufenden Betrieb der Brennkraftmaschine (1) angepasst wird, wobei das datenbasierte Modell (33) erzeugt wird, indem in einem ersten Schritt die Stellgrößen der Brennkraftmaschine (1) auf einem Einzylinder-Prüfstand variiert werden, indem in einem zweiten Schritt Trendinformationen (29) aus den Messgrößen des Einzylinder-Prüfstands erzeugt werden und indem in einem dritten Schritt eine Abweichung der Messgrößen des Einzylinder-Prüfstands zu einem ersten Gauß-Prozessmodell (31) unter Einhaltung der Trendinformationen (29) minimiert wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur modellbasierten Steuerung und Regelung einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
• Das Verhalten einer Brennkraftmaschine wird maßgeblich über ein Motorsteuergerät in Abhängigkeit eines Leistungswunsches bestimmt. Hierzu sind in der 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 bei einem Prüfstandslauf. Die Vielzahl dieser Kennlinien/Kennfelder und die Wechselwirkung 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. Aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen DE 10 2017 005 783.4 , nachveröffentlicht als DE 10 2017 005 783 A1 , ist ein modellbasiertes Steuerungs- und Regelungsverfahren für eine Brennkraftmaschine bekannt, bei dem über ein Verbrennungsmodell Einspritzsystem-Sollwerte zur Ansteuerung der Einspritzsystem-Stellglieder und über ein Gaspfadmodell Gaspfad-Sollwerte zur Ansteuerung der Gaspfad-Stellglieder berechnet werden. Von einem Optimierer werden dann diese Sollwerte mit dem Ziel verändert, ein Gütemaß innerhalb eines Prädiktionshorizonts zu minimieren. Das minimierte Gütemaß wiederum definiert dann den bestmöglichen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine. Eine Ergänzung zu diesem Verfahren ist aus der DE 10 2015 225 279 A1 bekannt, welche neben einer Modelladaption zum Ausgleich von Serienstreuung und Motoralterung eine Zeitskalentrennung in unterschiedlich lange Prozesszeiten für die einzelnen Reglermodule offenbart.
• Aus der DE 10 2014 225 039 A1 ist ein Verfahren zur Bereitstellung von spärlichen Gauß-Prozessmodellen bekannt, über welche eine Brennkraftmaschine gesteuert wird. Die wesentliche Idee besteht darin, die virtuellen Stützstellen nicht pro Modell, sondern gemeinsam zu optimieren, sodass sich alle Einzelmodelle dieselben virtuellen Trainingsdaten teilen. Ermittelt werden die Trainingsdaten bei einem Prüfstandslauf.
• Aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen DE 10 2018 001 727.4 ist ein Verfahren zur Adaption des Verbrennungsmodells in Ergänzung zu dem zuvor beschriebenen Steuerungs- und Regelverfahren bekannt. Adaptiert wird das Verbrennungsmodell über ein erstes Gauß-Prozessmodell zur Darstellung eines Grundgitters und über ein zweites Gauß-Prozessmodell zur Darstellung von Adaptionsdatenpunkten. Die Daten für das erste Gauß-Prozessmodell werden aus Messwerten bestimmt, welche auf einem Einzylinderprüfstand gewonnen wurden. Über eine anschließende physikalische Modellierung werden alle Eingangsgrößen durchvariiert, um den gesamten Arbeitsbereich der Brennkraftmaschine abzudecken. Die Daten für das zweite Gauß-Prozessmodell werden aus Messwerten eines Vollmotors bestimmt, welche bei einem DoE-Prüfstandslauf (DoE: Design of Experiments) der Brennkraftmaschine im stationär fahrbaren Bereich erzeugt wurden. Die physikalische Modellierung aus den Einzylinderdaten ist sehr zeitaufwendig und kostenintensiv, da entsprechende Software-Entwicklungstools und ein hohes Expertenwissen erforderlich sind.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das zuvor beschriebene Adaptionsverfahren hinsichtlich des Zeitaufwands zu optimieren.
• Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale von Anspruch 1. Die Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen dargestellt.
• Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird das Verbrennungsmodell in Form eines vollständig datenbasierten Modells im laufenden Betrieb der Brennkraftmaschine angepasst. Erzeugt wird das datenbasierte Modell, indem in einem ersten Schritt die Stellgrößen der Brennkraftmaschine auf einem Einzylinder-Prüfstand variiert werden, indem in einem zweiten Schritt Trendinformationen aus den Messgrößen des Einzylinder-Prüfstands erzeugt werden und indem in einem dritten Schritt eine Abweichung der Messgrößen des Einzylinder-Prüfstands zu einem ersten Gauß-Prozessmodell unter Einhaltung der Trendinformationen minimiert wird. Das datenbasierte Modell erlaubt es mittels Extrapolation neue, belastbare Datenwerte zu erzeugen. Diese Datenwerte gelten dann in den nicht vermessenen Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine. Die aus dem Stand der Technik bekannte physikalische Modellierung wird durch das datenbasierte Modell ersetzt. Von Vorteil ist der deutlich verringerte Entwicklungsaufwand, da die Bestimmung der Trendinformationen aus den Einzylinder-Messdaten und die Anpassung an die DoE-Daten über mathematische Algorithmen automatisierbar sind. Hieraus resultiert auch ein hoher Zuverlässigkeitsgrad des datenbasierten Modells, es ist also robust. Durch die Extrapolation neuer Datenwerte für die nicht vermessenen Betriebsbereiche verhält sich das Modell gutmütig, das heißt, in den nicht vermessenen Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine treten keine Extrema oder sprungförmige Reaktionen auf.
• Ganz allgemein kann durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise das Verhalten technischer Prozesse beschrieben werden, bei denen in definierten Betriebsbereichen Messdaten einer Einrichtung vorliegen und in nicht vermessen Betriebsbereichen ein Systemverhalten der Einrichtung anhand der Trendinformationen abgebildet wird. Unter einer Einrichtung ist zum Beispiel ein Abgas-Nachbehandlungssystem oder auch ein Batterie-Managementsystem zu verstehen.
• In den Figuren ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt. Es zeigen:
• 1 ein Systemschaubild,
• 2 ein modellbasiertes Systemschaubild,
• 3 ein Ablaufdiagramm,
• 4A, B ein Diagramm,
• 5 ein Diagramm zum ersten Gauß-Prozessmodell und
• 6 eine Tabelle.
• Die 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 11, ein Ladeluftkühler 12, eine Drosselklappe 13, eine Einmündungsstelle 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 11 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-Istwert stromab der Turbine des Abgasturboladers 11. Die weiteren nicht dargestellten Eingangsgrößen des elektronischen Steuergeräts 10 sind mit Bezugszeichen EIN zusammengefasst, beispielsweise die Kühlmitteltemperaturen.
• In 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 oder einem variablen Ventiltrieb.
• Die 2 zeigt ein modellbasiertes Systemschaubild. Bei dieser Darstellung sind die Eingangsgrößen des elektronischen Steuergeräts 10 eine erste Bibliothek Biblio1, eine zweite Bibliothek Biblio 2, Messgrößen MESS und das Sammelbezugszeichen EIN, welches stellvertretend für die in der 1 dargestellten Eingangsgrößen steht. Die erste Bibliothek Biblio 1 kennzeichnet den Betrieb der Brennkraftmaschine gemäß der Emissionsklasse MARPOL (Marine Pollution) der IMO oder gemäß der Emissionsklasse EU IV / Tier 4 final. Die zweite Bibliothek Biblio 2 kennzeichnet den Brennkraftmaschinentyp und eine maximale mechanische Bauteilbelastung, zum Beispiel den Verbrennungsspitzendruck oder die maximale Drehzahl des Abgasturboladers. Die Eingangsgröße MESS kennzeichnet die sowohl unmittelbar gemessenen physikalischen Größen als auch daraus berechnete Hilfsgrößen. Die Ausgangsgrößen des elektronischen Steuergeräts sind die Sollwerte für die unterlagerten Regelkreise, der Spritzbeginn SB und das Spritzende SE. Die unterlagerten Regelkreise sind ein Raildruck-Regelkreis 24, ein Lambda-Regelkreis 25 und ein AGR-Regelkreis 26. Innerhalb des elektronischen Steuergeräts sind ein Verbrennungsmodell 20, eine Adaptation 21, ein Gaspfadmodell 22 und ein Optimierer 23 angeordnet.
• Sowohl das Verbrennungsmodell 20 als auch das Gaspfadmodell 22 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 22 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 von den Randbedingungen im Zylinder und den Parametern der Einspritzung ab. Bestimmt wird das Verbrennungsmodell 20 bei einer Referenz-Brennkraftmaschine in einem Prüfstandslauf, dem sogenannten DoE-Prüfstandslauf (DoE: Design of Experiments) für den fahrbaren Bereich. Beim DoE-Prüfstandslauf werden systematisch Betriebsparameter und Stellgröße mit dem Ziel variiert, das Gesamtverhalten der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von motorischen Größen und Umweltrandbedingungen abzubilden. Ebenfalls im Verbrennungsmodell 20 verarbeitet werden die auf einem Einzylinder-Prüfstand ermittelten Messwerte. Ergänzt wird das Verbrennungsmodell 20 um die Adaption 21. Ziel der Adaption ist es, die Serienstreuung einer Brennkraftmaschine zu verringern.
• Nach Aktivierung der Brennkraftmaschine 1 liest der Optimierer 23 zunächst aus der ersten Bibliothek Biblio 1 die Emissionsklasse und aus der zweiten Bibliothek Biblio 2 die maximalen mechanischen Bauteilbelastungen ein. Anschließend wertet der Optimierer 23 das Verbrennungsmodell 20 aus und zwar hinsichtlich des Sollmoments M(SOLL), der Emissionsgrenzwerte, der Umweltrandbedingungen, zum Beispiel der Feuchte phi der Ladeluft, der Betriebssituation der Brennkraftmaschine und der Adaptionsdatenpunkte. Definiert wird die Betriebssituation insbesondere durch die Motordrehzahl nIST, die Ladelufttemperatur TLL und den Ladeluftdruck pLL. Die Funktion des Optimierers 23 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 23 diejenige Lösung aus, bei der ein Gütemaß minimiert wird. Berechnet wird das Gütemaß als Integral der quadratischen Soll-Istabweichungen innerhalb des Prädiktionshorizonts. Beispielsweise in der Form: $$\text{J}={\displaystyle \int {\left[\text{w}1(\text{NOx}\left(\text{SOLL}\right)-\text{NOx}\left(\text{IST}\right)\right]}^2+{\left[\text{w}2(\text{M}\left(\text{SOLL}\right)-\text{M}\left(\text{IST}\right)\right]}^2+\left[\text{w}3(\dots )\right]}+\dots$$

  
• Mit w1, w2 und w3 sind Gewichtungsfaktoren dargestellt. Bekanntermaßen ergeben sich die Stickoxidemission aus der Feuchte phi der Ladeluft, der Ladelufttemperatur, dem Spritzbeginn SB und dem Raildruck pCR. In die tatsächlichen Istwerte, zum Beispiel den NOx-Istwert oder den Abgastemperatur-Istwert, greift die Adaption 21 ein.
• Minimiert wird das Gütemaß, indem vom Optimierer 23 zu einem ersten Zeitpunkt ein erstes Gütemaß berechnet wird, die Einspritzsystem-Sollwerte sowie die Gaspfad-Sollwerte variiert werden und anhand dieser ein zweites Gütemaß innerhalb des Prädiktionshorizonts prognostiziert wird. Anhand der Abweichung der beiden Gütemaße zueinander legt dann der Optimierer 23 ein minimales Gütemaß fest und setzt dieses als maßgeblich für die Brennkraftmaschine. Zur weiteren Vorgehensweise bezüglich der Prädiktion wird auf die nicht vorveröffentlichte deutsche Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen DE 10 2017 005 783.4 , nachveröffentlicht als DE 10 2017 005 783 A1 , verwiesen.
• Die 3 zeigt ein Ablaufdiagramm, welches die Programmschritte eines ausführbaren Programms zeigt. Dargestellt ist das Zusammenwirken der beiden Gauß-Prozessmodelle zur Erstellung des Verbrennungsmodells (2: 20). Gauß-Prozessmodelle sind dem Fachmann bekannt, zum Beispiel aus der DE 10 2014 225 039 A1 oder der DE 10 2013 220 432 A1 . Ganz allgemein wird ein Gauß-Prozess definiert durch eine Mittelwertfunktion und eine Kovarianzfunktion. Die Mittelwertfunktion wird häufig zu Null angenommen oder ein linearer/polynomieller Verlauf eingeführt. Die Kovarianzfunktion gibt den Zusammenhang beliebiger Punkte an und beschreibt die statistische Zuverlässigkeit des Modells in einem betrachteten Betriebspunkt der Brennkraftmaschine. Durch die Kovarianz wird ein Konfidenzbereich definiert, in welchem der Wert des realen Systems mit einer Wahrscheinlichkeit von 95% liegt. Ein Funktionsblock 27 beinhaltet die DoE-Daten des Vollmotors. Ermittelt werden diese Daten für eine Referenz-Brennkraftmaschine bei einem Prüfstandslauf, indem im stationär fahrbaren Bereich der Brennkraftmaschine alle Variationen der Eingangsgrößen über deren gesamten Stellbereich ermittelt werden. Diese Daten kennzeichnen mit hoher Genauigkeit das Verhalten der Brennkraftmaschine im stationär fahrbaren Bereich. Ein Funktionsblock 28 beinhaltet Daten, welche an einem Einzylinderprüfstand gewonnen werden. Beim Einzylinderprüfstand lassen sich diejenigen Betriebsbereiche einstellen, zum Beispiel große geodätische Höhe oder extreme Temperaturen, die bei einem DoE-Prüfstandslauf nicht abgeprüft werden können. Aus diesen Messdaten werden im Funktionsblock 29 automatisiert die Systemeigenschaften in Abhängigkeit einzelner Stellgrößen in Form einer Trendinformation berechnet. Die weitere Erläuterung erfolgt in Verbindung mit den 4A und 4B.
• In der 4A ist auf der Abszisse der Einzelspeicherdruck pES, normiert auf den Maximaldruck pMAX des Einzelspeicherdrucks, dargestellt. Auf der Ordinate ist der NOx-Istwert als Messwert dargestellt. Die mit einem Kreuz eingetragenen Messwerte wurden ermittelt, indem ein WT-Steller (WT: variable Ventilsteuerung), der Spritzbeginn SB, die Motordrehzahl nIST, die Ladelufttemperatur TLL und die Feuchte phi der Ladeluft konstant gehalten wurden. Die eingespritzte Kraftstoffmenge wurde hierbei auf einen ersten Wert gesetzt. Danach wurde der Einzelspeicherdruck pES variiert, indem das geförderte Kraftstoffvolumen verändert wurde. Die mit einem Kreis gekennzeichneten Messwerte wurden ermittelt, indem die Kraftstoffmenge auf einen zweiten Wert gesetzt wurde, der Einzelspeicherdruck pES variiert wurde und die zuvor konstanten Parameter, also der WT-Steller, der Spritzbeginn SB, die Motordrehzahl nIST, die Ladelufttemperatur TLL und die Feuchte phi der Ladeluft unverändert gelassen wurden. Die mit einem Dreieck eingetragenen Messwerte wurden ermittelt, indem die Motordrehzahl nIST auf einen neuen Wert gesetzt wurde, der Einzelspeicherdruck pES verändert wurde und die anderen Parameter unverändert übernommen wurden. Aus der 4A lässt sich als erste Aussage ableiten, dass sich mit erhöhendem Einzelspeicherdruck pES der NOx-Istwert erhöht und lässt sich als zweite Aussage ableiten, dass die Zunahme stetig steigend ist. Für das dargestellte Beispiel lautet die Trendinformation daher: monoton (steigend) sowie linear. In der 4B ist auf der Abszisse der Spritzbeginn SB, normiert auf einen Maximalwert SB(MAX) des Spritzbeginns, aufgetragen. Auf der Ordinate ist der NOx-Istwert als Messwert dargestellt. Die in der 4B dargestellten Datenwerte ergeben sich in analoger Vorgehensweise zur 4A, wobei hier der Einzelspeicherdruck pES konstant gehalten wurde und stattdessen der Spritzbeginn SB verändert wurde. Für die dargestellten Beispiele der 4B lautet die Trendinformation: nur monoton (steigend).
• In der 3 ist das extrapolationsfähige Modell mit dem Bezugszeichen 30 gekennzeichnet, in welchem die Abweichung der Daten des Einzylinder-Prüfstands zu den DoE-Daten 27 unter Einhaltung der Trendinformationen minimiert wird. Mit Bezugszeichen 31 ist ein erstes Gauß-Prozessmodell 31 (GP1) zur Darstellung eines Grundgitters bezeichnet. Die Zusammenführung der beiden Mengen von Datenpunkten bildet das zweite Gauß-Prozessmodell 32. Damit werden Betriebsbereiche der Brennkraftmaschine, welche durch die DoE-Daten beschrieben sind, auch durch diese Werte festgelegt und es werden Betriebsbereiche, für die keine DoE-Daten vorliegen, durch Daten des Modells 30 wiedergegeben. Da das zweite Gauß-Prozessmodell im laufenden Betrieb adaptiert wird, dient es zur Darstellung der Adaptionspunkte. Ganz allgemein gilt also für das datenbasierte Modell 33: $$\text{E}\left[\text{x}\right]=\text{GP}1+\text{GP}2$$

  
• Hierbei entsprechen GP1 dem ersten Gauß-Prozellmodell zur Darstellung des Grundgitters, GP2 dem zweiten Gauß-Prozessmodell zur Darstellung der Adaptionsdatenpunkte. Das datenbasierte Modell E[x] wiederum ist die Eingangsgröße für den Optimierer, zum Beispiel einem NOx-Istwert oder einem Abgastemperatur-Istwert. Durch den Doppelpfeil in der Figur sind zwei Informationswege dargestellt. Der erste Informationsweg kennzeichnet die Datenbereitstellung des Grundgitters vom ersten Gauß-Prozessmodell 31 an das datenbasierte Modell 33. Der zweite Informationsweg kennzeichnet die Rückanpassung des ersten Gauß-Prozessmodells 31 über das zweite Gauß-Prozessmodell 32. Zur weiteren Vorgehensweise bezüglich der Adaption wird auf die nicht vorveröffentlichte deutsche Patentanmeldung DE 10 2018 001 727.4 , nachveröffentlicht als DE 10 2018 001 727 A1 , verwiesen.
• In der 5 ist in einem Diagramm das erste Gauß-Prozessmodell für den Einzelspeicherdruck pES, welcher auf Maximaldruck pMAX normiert ist, dargestellt. Auf der Ordinate ist der gemessene NOx-Wert aufgetragen. Innerhalb des Diagramms sind die am Vollmotor ermittelten DoE-Datenwerte mit einem Kreuz und der Verlauf des ersten Gauß-Prozessmodells aus den am Einzylinder erfassten Datenwerten mit einem Kreis gekennzeichnet. Beispielsweise sind dies die drei Datenwerte der Punkte A, B und C. In einem ersten Schritt wird die Lage der Datenwerte, also die Trendinformation (3: 29) zueinander ermittelt. Da sich aus dem Datenwert des Punkts B ein höherer NOx-Istwert als am Punkt A ergibt, ist die Funktion in diesem Bereich monoton. Für den Datenwert am Punkt C gilt dies in analoger Betrachtungsweise, das heißt, der NOx-Istwert am Punkt C ist höher als am Punkt B. Für die Datenwerte A bis C ergibt sich daher als Trendinformation: monoton. In einem zweiten Schritt wird dann die Abweichung (Modellfehler) dieser Datenwerte zu den DoE-Daten minimiert. Mit anderen Worten: Es wird eine mathematische Funktion bestimmt, welche bestmöglich die DoE-Datenwerte unter Berücksichtigung der Trendinformation abbildet. Für die Datenwerte A, B und C ist dies die monotone, lineare und ansteigende Funktion F1. Eine Funktion F2 ist durch die Datenwerte A, D und E nur als monoton gekennzeichnet. Eine Funktion F3 ist durch die Datenwerte A, F und G abgebildet. Mit Blick auf die 6 verhalten sich die exemplarisch dargestellten Messgrößen Einzelspeicherdruck pES, Kraftstoffmasse mKrSt, Spritzbeginn SB, Raildruck pCR und die Ladelufttemperatur TLL entsprechend der Funktion F1, das heißt, monoton und linear ansteigend. Die Messgröße Motordrehzahl nIST verhält sich entsprechend der Funktion F3, also unbeschränkt. Unbeschränkt bedeutet, dass zu dieser Messgröße keine Trendinformation vorliegt. Wie aus der 5 ebenfalls ableitbar ist, können Zwischenwerte, beispielsweise der Datenwert H, extrapoliert werden. Das Modell ist also extrapolationsfähig (3: 30). Die Bestimmung des ersten Gauß-Prozessmodells erfolgt automatisiert, das heißt, Expertenwissen ist nicht erforderlich. Die automatisierte Extrapolationsfähigkeit des Modells wiederum garantiert ein hohes Maß an Robustheit und Gutmütigkeit, da in unbekannten Bereichen das Modell anhand der Trendinformationen keine Extrema oder sprungförmigen Reaktionen zulässt.
• Bezugszeichenliste

1

Brennkraftmaschine

2

Kraftstofftank

3

Niederdruckpumpe

4

Saugdrossel

5

Hochdruckpumpe

6

Rail

7

Injektor

8

Einzelspeicher

9

Rail-Drucksensor

10

Elektronisches Steuergerät

11

Abgasturbolader

12

Ladeluftkühler

13

Drosselklappe

14

Einmündungsstelle

15

Einlassventil

16

Auslassventil

17

AGR-Stellglied (AGR: Abgasrückführung)

18

AGR-Kühler

19

Turbinen-Bypassventil

20

Verbrennungsmodell

21

Adaption

22

Gaspfadmodell

23

Optimierer

24

Raildruck-Regelkreis

25

Lambda-Regelkreis

26

AGR-Regelkreis

27

Funktionsblock, DoE-Daten

28

Funktionsblock, Daten Einzylinder

29

Funktionsblock, Erzeugen Trendinformation

30

Modell

31

Erstes Gauß-Prozessmodell (GP1)

32

Zweites Gauß-Prozessmodell (GP2)

33

datenbasiertes Modell

Claims (3)

1. Verfahren zur modellbasierten Steuerung und Regelung einer Brennkraftmaschine (1), bei dem in Abhängigkeit eines Sollmoments (M(SOLL)) über ein Verbrennungsmodell (20) Einspritzsystem-Sollwerte zur Ansteuerung der Einspritzsystem-Stellglieder und über ein Gaspfadmodell (22) Gaspfad-Sollwerte zur Ansteuerung der Gaspfad-Stellglieder berechnet werden, bei dem das Verbrennungsmodell (20) im laufenden Betrieb der Brennkraftmaschine (1) angepasst wird, bei dem von einem Optimierer (23) ein Gütemaß (J) über Veränderung der Einspritzsystem-Sollwerte und Gaspfad-Sollwerte innerhalb eines Prädiktionshorizonts minimiert wird und bei dem vom Optimierer (23) anhand des minimierten Gütemaßes die Einspritzsystem-Sollwerte und Gaspfad-Sollwerte als maßgeblich zur Einstellung des Betriebspunkts der Brennkraftmaschine (1) gesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbrennungsmodell (20) in Form eines vollständig datenbasierten Modells (33) im laufenden Betrieb der Brennkraftmaschine (1) angepasst wird, wobei das datenbasierte Modell (33) erzeugt wird, indem in einem ersten Schritt die Stellgrößen der Brennkraftmaschine (1) auf einem Einzylinder-Prüfstand variiert werden, indem in einem zweiten Schritt Trendinformationen (29) aus den Messgrößen des Einzylinder-Prüfstands erzeugt werden und indem in einem dritten Schritt eine Abweichung der Messgrößen des Einzylinder-Prüfstands zu einem ersten Gauß-Prozessmodell (31) unter Einhaltung der Trendinformationen (29) minimiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über das datenbasierte Modell (33) mittels Extrapolation neue Datenwerte für nicht vermessene Betriebsbereiche der Brennkraftmaschine (1) erzeugt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trendinformationen (29) im Sinne einer linearen, monotonen oder unbeschränkten Funktion abgespeichert werden.

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