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Title:
METHOD FOR THE MODEL-BASED CONTROL AND REGULATION OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/170492
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for the model-based control and regulation of an internal combustion engine (1), in which, as a function of a set torque (M(SOLL)), injection system set values for controlling the injection system actuators are calculated via a combustion model (20), and gas path set values for controlling the gas path actuators are calculated via a gas path model (22), the combustion model (20) being adapted during operation of the internal combustion engine (1). A measure of quality is calculated by an optimizer (23) as a function of the injection system set values and the gas path set values. The measure of quality is minimized by the optimizer (23) by changing the injection system set values and gas path set values within a prediction horizon, and the injection system set values and gas path set values are set by the optimizer (23) as critical for adjusting the operating point of the internal combustion engine (1) by using the minimized measure of quality.

Inventors:
BERGMANN, Daniel (Pionierstraße 16, Ulm, 89073, DE)
BUCHHOLZ, Michael (Virchowstraße 34, Ulm, 89075, DE)
GRAICHEN, Knut (Im Wiblinger Hart 90, Ulm, 89079, DE)
NIEMEYER, Jens (Oberhofstraße 25, Friedrichshafen, 88045, DE)
Application Number:
EP2019/054852
Publication Date:
September 12, 2019
Filing Date:
February 27, 2019
Export Citation:
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Assignee:
MTU FRIEDRICHSHAFEN GMBH (Maybachplatz 1, Friedrichshafen, 88045, DE)
International Classes:
F02D41/00; F02D41/14; F02D41/24; F02D41/38; F02D41/40
Domestic Patent References:
WO2017005337A12017-01-12
Foreign References:
DE102015221819A12017-05-11
DE102013206308A12014-10-16
DE102013206304A12014-10-16
DE102016205241A12017-10-05
DE102010028266A12011-10-27
DE102006004516B32007-03-08
US20110172897A12011-07-14
DE102017005783A12018-12-20
DE102014225039A12016-06-09
DE102013220432A12015-04-16
Other References:
HARDER KARSTEN ET AL: "Nonlinear MPC with emission control for a real-world off-highway diesel engine", 2017 IEEE INTERNATIONAL CONFERENCE ON ADVANCED INTELLIGENT MECHATRONICS (AIM), IEEE, 3 July 2017 (2017-07-03), pages 1768 - 1773, XP033144574, ISBN: 978-1-5090-5998-0, [retrieved on 20170821], DOI: 10.1109/AIM.2017.8014274
Attorney, Agent or Firm:
EISENFÜHR SPEISER PATENTANWÄLTE RECHTSANWÄLTE PARTGMBB (Anna-Louisa-Karsch-Straße 2, Berlin, 10178, DE)
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Claims:
ANSPRÜCHE

1. Verfahren zur modellbasierten Steuerung und Regelung einer Brennkraftmaschine (1), bei dem in Abhängigkeit eines Sollmoments (M(SOLL)) über ein V erbrennungsmodell (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 V erbrennungsmodell (20) im laufenden Betrieb der Brennkraftmaschine (1) adaptiert wird, bei dem von einem Optimierer (23) ein Gütemaß (J) in Abhängigkeit der Einspritzsystem-Sollwerte und der Gaspfad-Sollwerte berechnet wird, vom Optimierer (23) das 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 (J(min)) die

Einspritzsystem-Sollwerte und Gaspfad- So 11 werte als maßgeblich zur Einstellung des Betriebspunkts der Brennkraftmaschine (1) gesetzt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das V erbrennungsmodell (20) über ein erstes Gauß-Prozessmodell (30) zur Darstellung eines Grundgitters und über ein zweites Gauß-Prozessmodell (31) zur Darstellung von Adaptionsdatenpunkten adaptiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Güte des zweiten Gauß- Prozessmodells (31) anhand eines Konfidenzbereichs (KB) beurteilt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein aktueller

Adaptionsdatenpunkt, welcher innerhalb des aktuellen Konfidenzbereichs (KB) liegt, in das zweite Gauß-Prozessmodell (31) übernommen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem außerhalb des

Konfidenzbereichs (KB) liegenden aktuellen Adaptionsdatenpunkt aus dem zweiten Gauß- Prozessmodell (31) zuvor gespeicherte Adaptionsdatenpunkte iterativ entfernt werden, bis der aktuelle Adaptionsdatenpunkt innerhalb des neuen Konfidenzbereichs liegt. 6 Verfahren nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gesamtanzahl (n) der Adaptionsdatenpunkte mit einem Grenzwert (GW) verglichen wird und bei Grenzwertüberschreitung (n>GW) Adaptionsdatenpunkte in der Anzahl entfernt werden, dass die neue Gesamtanzahl kleiner als der Grenzwert (GW) wird.

7 Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gauß-Prozessmodell (30) zur Darstellung eines Grundgitters über das zweite Gauß-Prozessmodell (31) rückangepasst wird. 8 Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Datenpunkt des ersten Gauß-Prozessmodells (30) ein Zeitstempel eingeprägt wird, anhand der Veränderung des Zeitstempels ein Zeitrang (ZR) bestimmt wird und ein Weiterbetrieb der

Brennkraftmaschine in Abhängigkeit des Zeitrangs (ZR) abgeschätzt wird.

Description:
Verfahren zur modellbasierten Steuerung und Regelung einer Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur modellbasierten Steuerung und Regelung einer

Brennkraftmaschine, bei dem in Abhängigkeit eines Sollmoments über ein V erbrennungsmodell Einspritzsystem-Sollwerte zur Ansteuerung der Einspritzsystem-Stellglieder und über ein Gaspfadmodell Gaspfad-Sollwerte zur Ansteuerung der Gaspfad-Stellglieder berechnet werden und bei dem das V erbrennungsmodell im laufenden Betrieb der Brennkraftmaschine adaptiert wird. Ferner wird bei diesem Verfahren von einem Optimierer ein Gütemaß in Abhängigkeit der Einspritzsystem-Sollwerte und der Gaspfad-Sollwerte berechnet, vom Optimierer das Gütemaß über Veränderung der Einspritzsystem-Sollwerte und Gaspfad-Sollwerte innerhalb eines Prädiktionshorizonts minimiert und wird vom Optimierer anhand des minimierten Gütemaßes die Einspritzsystem-Sollwerte und Gaspfad-Sollwerte als maßgeblich zur Einstellung des Betriebspunkts der Brennkraftmaschine gesetzt.

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 Raddruck. Mit Daten bestückt werden diese Kennlinien/Kennfelder beim Hersteller der Brennkraftmaschine bei einem Prüfstandslauf. Die Vielzahl dieser Kennlinien/Kennfelder und die W echselwirkung 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 W ahrscheinlichkeitstabel len zur Festlegung einer Einspritzmenge und die US 2011/0172897 Al ein Verfahren zur Adaption des Spritzbeginns sowie der Spritzmenge über V erbrennungsmodelle mittels neuronaler Netze. Da lediglich trainierte Daten abgebildet werden, müssen diese zuerst bei einem Prüfstandslauf gelernt werden. Aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 2017 005 783.4 ist ein modellbasiertes Steuerungs- und Regelungsverfahren für eine Brennkraftmaschine bekannt, bei dem über ein V erbrennungsmodel 1 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 definiert dann den bestmöglichen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine. Hinsichtlich eines deutlich verringerten Abstimmungsaufwands hat sich das dargestellte Verfahren zwar bewährt, bietet jedoch noch Optimierungspotential .

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das zuvor beschriebene Verfahren hinsichtlich einer besseren Güte weiterzuentwickeln.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale von Anspruch 1. Die Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen dargestellt.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden anhand eines Sollmoments über ein

V erbrennungsmodell Einspritzsystem-Sollwerte zur Ansteuerung der Einspritzsystem- Stellglieder und über ein Gaspfadmodell Gaspfad-Sollwerte zur Ansteuerung der Gaspfad- Stellglieder berechnet, wobei das V erbrennungsmodell im laufenden Betrieb der

Brennkraftmaschine adaptiert wird. Ferner wird bei diesem Verfahren von einem Optimierer ein Gütemaß in Abhängigkeit der Einspritzsystem- und der Gaspfad-Sollwerte berechnet und vom Optimierer das Gütemaß über Veränderung der Einspritzsystem-Sollwerte und Gaspfad- Sollwerte innerhalb eines Prädiktionshorizonts minimiert. Ist ein minimiertes Gütemaß dann bestimmt, so setzt der Optimierer letztendlich die Einspritzsystem- und Gaspfad-Sollwerte als maßgeblich zur Einstellung des Betriebspunkts der Brennkraftmaschine .

Adaptiert wird das V erbrennungsmodell 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 auf einem Einzylinderprüfstand gewonnen. Auf dem Einzylinderprüfstand können extreme

Betriebsbedingungen eingestellt werden, zum Beispiel eine sehr kalte Umgebung oder eine sehr große geodätische Höhe. Über eine anschließende physikalische Modellierung werden alle Eingangsgrößen durchvariiert, um den gesamten Arbeitsbereich der Brennkraftmaschine abzudecken. Systembedingt bilden die Datenwerte im ersten Gauß-Prozessmodell das

Motorsystem im normalen Betriebsbereich nur grob ab. Von Vorteil allerdings ist, dass mittels des ersten Gauß-Prozessmodells ein Grundgitter mit wenig Stützstellen aber einem physikalisch sinnvollen Extrapolationsverhalten abgebildet wird. Die Daten für das zweite Gauß-Prozessmodell werden aus einem DoE-Prüfstandslauf der Brennkraftmaschine mit stationär fahrbarem Bereich erzeugt. Systembedingt sind daher die Datenwerte im zweiten Gauß-Prozessmodell nur für diesen stationären Bereich gültig, wenngleich mit hoher Güte.

Die Kombination des ersten und des zweiten Gauß-Prozessmodells beinhaltet daher

Betriebsbereiche mit real gemessenen und extrapolierten Datenwerten.

Die Güte des zweiten Gauß-Prozessmodells wird anhand eines Konfidenzbereichs beurteilt.

So bildet ein schmaler Konfidenzbereich eine hohe Güte ab, während hingegen ein breiter Konfidenzbereich eine geringere Güte darstellt. Im laufenden Betrieb wird die Lage eines aktuellen Adaptionsdatenpunkts hinsichtlich seiner Lage zum gültigen Konfidenzbereich beurteilt. Der Konfidenzbereich entspricht der zweifachen Standardabweichung, also einem 95 %-Konfidenzbereich. Liegt der aktuelle Adaptionsdatenpunkt innerhalb des

Konfidenzbereichs, so ergänzt er das zweite Gauß-Prozessmodell. Liegt der aktuelle

Adaptionsdatenpunkt außerhalb des gültigen Konfidenzbereichs, so wird das zweite Gauß- Prozessmodell verändert, indem Adaptionsdatenpunkte aus dem zweiten Gauß- Prozessmodell solange entfernt werden, bis der aktuelle Adaptionsdatenpunkt innerhalb des neuen Konfidenzbereichs liegt.

Zur Reduktion des Speicheraufwands und zur Verringerung der Rechenzeit wird die

Gesamtanzahl der Adaptionsdatenpunkte mit einem Grenzwert verglichen. Bei

Grenzwertüberschreitung werden Adaptionsdatenpunkte in der Anzahl entfernt, dass die neue Gesamtanzahl kleiner als der Grenzwert wird. Entfernt werden diejenigen

Adaptionsdatenpunkte , die einen geringen oder keinen Einfluss auf die Güte des zweiten Gauß- Prozessmodells haben.

Ebenfalls zur Verringerung der Rechenzeit ist vorgesehen, dass das erste Gauß-Prozessmodell zur Darstellung eines Grundgitters über das zweite Gauß-Prozessmodell rückangepasst wird. Der Rückanpassung liegt die Forderung zugrunde, dass der zweite Gaußprozess an den Stützstellen des ersten Gaußprozesses gleich Null ist. Bei der Rückanpassung erhält jeder Datenpunkt des ersten Gauß-Prozessmodells einen Zeitstempel eingeprägt. Anhand der zeitlichen Veränderung des Zeitstempels lässt sich ein Zeitrang bestimmen. Aus dem Zeitrang wiederum kann ein Zeitraum für den Weiterbetrieb der Brennkraftmaschine abschätzt werden. Mit anderen Worten: Ein zum Beispiel defekter NOx- Sensor bewirkt eine zeitliche Drift des Mittelwerts im ersten Gauß-Prozessmodell. Der hierzu korrespondierende Zeitrang definiert dann den verbleibenden Restzeitraum für den modellbasierten Weiterbetrieb der Brennkraftmaschine. Über den Zeitrang lässt sich selbstverständlich auch eine nicht statthafte Manipulation der Brennkraftmaschine erkennen.

Die Erfindung bietet die bekannten Vorteile einer Adaption, nämlich eine V ereinheitlichung der Brennkraftmaschinen derselben Baureihe. Mit anderen Worten: Über die Adaption wird die Serienstreuung selbstständig verringert. Über die Rückanpassung des ersten Gauß- Prozessmodells mittels des zweiten Gauß-Prozessmodells wird ein selbstlernendes System mit F ehlererkennung abgebildet. Da die Modelle einzeln abstimmbar sind und diese in der Summe die Brennkraftmaschine abbilden, kann der Abstimmungsaufwand nochmals reduziert werden. Die bisher erforderlichen Kennlinien und Kennfelder entfallen ersatzlos. Durch die

Extrapolationsfähigkeit der Modelle werden sowohl im dynamischen, transienten Betrieb oder in selten eingestellten Betriebsbereichen belastbare Motorstell groß en berechnet. Zudem können die Abstände der Zielwerte der Regelung zu den gesetzlichen Emissionsgrenzwerten verkleinert werden.

In den Figuren ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt. Es zeigen:

Figur 1 ein Systemschaubild,

Figur 2 ein modellbasiertes Systemschaubild,

Figur 3 ein Blockschaltbild,

Figur 4 einen Programm-Abi aufplan,

Figur 5 ein Unterprogramm,

Figur 6 ein erstes Adaptionsbeispiel,

Figur 7 ein zweites Adaptionsbeispiel und

Figur 8 ein drittes Adaptionsbeispiel.

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 Einzelspeichem 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 Raddruck 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 Wl 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 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 oder einem variablen Ventiltrieb.

Die Figur 2 zeigt ein modellbasiertes Systemschaubild. Bei dieser Darstellung sind die

Eingangsgrößen des elektronischen Steuergeräts 10 eine erste Bibliothek Bibliol, eine zweite Bibliothek Biblio 2, Messgrößen MESS und das Sammelbezugszeichen EIN, welches stellvertretend für die in der Figur 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 V erbrennungsspitzendruck 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. Innerhalb des elektronischen Steuergeräts sind ein V erbrennungsmodel 1 20, eine Adaptation 21, ein

Gaspfadmodell 22 und ein Optimierer 23 angeordnet.

Sowohl das V erbrennungsmodel! 20 als auch das Gaspfadmodell 22 bilden das

Systemverhalten der Brennkraftmaschine als mathematische Gleichungen ab. Das

V erbrennungsmodell 20 bildet statisch die Vorgänge bei der Verbrennung ab. Im

Unterschied hierzu bildet das Gaspfadmodell 22 das dynamische Verhalten der Luftführung und der Abgasfuhrung ab. Das V erbrennungsmo dell 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 Y erbrennungsmodel 1 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. Ergänzt wird das V erbrennungsmodell 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 V erbrennungsmodell 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:

(1) J = j jwl(NOx(SOLL)-NOx(IST)] 2 + [w2(M(SOLL)-M(IST)] 2 + [w3(....)] + ...

Hierin bedeuten wl, w2 und w3 ein entsprechender Gewichtungsfaktor. Bekanntermaßen ergeben sich die Stickoxidemission aus der Feuchte phi der Ladeluft, der

Ladelufttemperatur, dem Spritzbeginn SB und dem Raddruck pCR. In die tatsächlichen Istwerte, zum Beispiel den NOx-Istwert oder dem 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. 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 24. Die Stellgröße des Raddruck-Regelkreises 24 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 23 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 unterlagerten Lambda-Regelkreis 25 und den unterlagerten AGR-Regelkreis 26. Die Stellgrößen der beiden Regelkreise 25 und 26

entsprechen dem Signal TBP zur Ansteuerung des Turbinen-Bypasses, dem Signal AGR zur Ansteuerung des AGR-Stellglieds und dem Signal DK zur Ansteuerung der Drosselklappe. 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.

Die Figur 3 zeigt in einem Blockschaltbild das Zusammenwirken der beiden Gauß- Prozessmodelle zur Adaption des V erbrennungsmodells . Gauß-Prozessmodelle sind dem

Fachmann bekannt, zum Beispiel aus der DE 10 2014 225 039 Al oder der DE 10 2013 220 432 Al . Ganz allgemein wird ein Gaußprozess definiert durch eine Mittelwertfunktion und eine Kovarianzfünktion. Die Mittelwertfunktion wird häufig zu Null angenommen oder ein linearer/polynomieller Verlauf eingeführt. Die Kovarianzfunktion gibt den Zusammenhang beliebiger Punkte an. Ein erster Funktionsblock 27 beinhaltet die DoE-Daten (DoE: Design of Experiments) 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 kennzeichnet mit hoher Genauigkeit das Verhalten der

Brennkraftmaschine im stationär fahrbaren Bereich. Ein zweiter 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. Diese wenigen Messdaten dienen als Grundlage für die Parametrierung eines physikalischen Modells, welches das globale Verhalten der

Verbrennung grob richtig wiedergibt. Das physikalische Modell stellt das Verhalten der Brennkraftmaschine in extremen Randbedingungen grob dar. Über Extrapolation wird das physikalische Modell vervollständigt, sodass eine normaler Betriebsbereich grob richtig beschrieben wird. In der Figur 3 ist das extrapolationsfähige Modell mit dem Bezugszeichen 29 gekennzeichnet. Aus diesem wiederum wird das erste Gauß-Prozessmodell 30 (GP1) zur Darstellung eines Grundgitters erzeugt.

Die Zusammenführung der beiden Mengen von Datenpunkten bildet das zweite Gauß- Prozessmodell 31. Damit werden Betriebsbereiche der Brennkraftmaschine, welche durch die DoE-Daten beschrieben sind, auch durch diese Werte festgelegt und werden

Betriebsbereiche, für die keine DoE-Daten vorliegen, durch Daten des physikalischen Modells wiedergegeben. Da das zweite Gauß-Prozessmodell im laufenden Betrieb adaptiert wird, dient es zur Darstellung der Adaptionspunkte . Ganz allgemein gilt also für den Modellwert (Bezugszeichen 32):

(2) E[x] = GP1 + GP2

Hierbei entsprechen GP1 dem ersten Gauß-Prozellmodell zur Darstellung des Grundgitters, GP2 dem zweiten Gauß-Prozessmodell zur Darstellung der Adaptionsdatenpunkte und der Modellwert E[x] der 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 30 an den Modellwert 32. Der zweite Informationsweg kennzeichnet die Rückanpassung des ersten Gauß- Prozessmodells 30 über das zweite Gauß-Prozessmodell 31.

In der Figur 4 ist in einem Programm- Ablaufplan ein Hauptprogramm dargestellt, über welches der Optimierer innerhalb eines Prädiktionshorizonts das Gütemaß J optimiert. Mit zu diesem Hauptprogramm gehört ein Unterprogramm UP Adaption, über welches adaptierte Werte für den Optimierer bereitgestellt werden. Das Unterprogramm UP

Adaption weist eine längere Durchlaufzeit als das Hauptprogramm auf, das heißt, nicht bei jedem Durchlauf des Hauptprogramms werden neue adaptierte Werte bereitgestellt. Nach der Initialisierung bei S 1 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) und der NOx- Sollwert NOx(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 und die Feuchte phi der Ladeluft. Die Betriebssituation wird zum einen in einem Unterprogramm Optimierer, Schritt S5, und zum anderen im Unterprogramm UP Adaption weiterverarbeitet. Das Unterprogramm wird in Verbindung mit der Figur 5 erklärt.

Nach Aufruf des Unterprogramms UP Optimierer werden bei S6 die Anfangswerte, zum Beispiel der Spritzbeginn SB, erzeugt. Ein erstes Gütemaß Jl 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 SU ein zweites Gütemaß J2 für den Prädiktionshorizont, zum Beispiel für die nächsten 8 Sekunden, prognostiziert. Bei S12 wiederum wird das zweite Gütemaß J2 vom ersten Gütemaß Jl 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 zurück verzweigt. 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. Eine detaillierte Beschreibung zum Wirkprinzip des Optimierers einschließlich Prädiktion ist aus der nicht vorveröffentlichte Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen DE 10 2017 005 783.4 bekannt, auf die hiermit verwiesen wird.

In der Figur 5 ist das Unterprogramm UP Adaption dargestellt. Bei Sl wird geprüft, ob der aktuelle Datenpunkt innerhalb des gültigen Konfidenzbereichs KB liegt. Liegt dieser außerhalb des gültigen Konfidenzbereichs KB, Abfrageergebnis Sl: nein, so wird zu S2 verzweigt und ein bereits abgespeicherter Adaptionsdatenpunkt entfernt. Danach wird zum Punkt A zurückverzweigt und erneut bei S 1 geprüft, ob nunmehr der aktuelle

Adaptionsdatenpunkt im neuen Konfidenzbereichs liegt. Dieser Fall ist in der Figur 6 dargestellt und wird in Verbindung mit der Figur 6 erläutert. In der Schleife Sl und S2 werden also Adaptionsdatenpunkte solange aus dem zweiten Gauß-Prozessmodell entfernt bis der aktuelle Adaptionsdatenpunkt innerhalb des neuen Konfidenzbereichs liegt. Wurde bei S 1 festgestellt, dass der aktuelle Datenpunkt innerhalb des Konfidenzbereichs KB liegt, Abfrageergebnis Sl : ja, so wird bei S3 der aktuelle Adaptionsdatenpunkt dem zweiten Gauß-Prozessmodell hinzugefügt. Anschließend wird bei S4 geprüft, ob die Gesamtanzahl n der Adaptionsdatenpunkte größer als ein Grenzwert GW ist. Ist dies nicht der Fall,

Abfrageergebnis S4: nein, so wird der Programmablauf bei S6 fortgesetzt. Anderenfalls wird bei S5 derjenige Adaptionsdatenpunkt entfernt, der den Mittelwert am wenigsten beeinflusst. Anschließend wird zum Punkt B zurückverzweigt und bei S4 erneut die Gesamtanzahl n abgefragt. Über die Schleife S4/S5 werden daher so viele

Adaptionsdatenpunkte aus dem zweiten Gauß-Prozessmodell entfernt bis die Gesamtanzahl n unterhalb des Grenzwerts GW liegt. Von Vorteil sind ein reduzierter Speicheraufwand und eine schnellere Durchlaufzeit.

Bei S6 wird geprüft, ob das erste Gauß-Prozessmodell zur Darstellung des Grundgitters angepasst werden muss. Ist dies nicht erforderlich, Abfrageergebnis S6: nein, so wird der Programmablauf beim Punkt C fortgesetzt. Ist eine Anpassung erforderlich,

Abfrageergebnis S6: ja, so wird das erste Gauß-Prozessmodell in der Form angepasst, dass der Erwartungswert des ersten Gauß-Prozessmodells über das zweite Gauß-Prozessmodell rückangepasst wird. Danach wird der Programmablauf beim Punkt C fortgesetzt. Bei S8 wird ein Zeitrang ZR auf Grenzwertüberschreitung geprüft. Jedem Datenpunkt im ersten Gauß-Prozessmodell wird ein Zeitstempel eingeprägt. Eine Veränderung des Datenpunkts, also eine zeitlichen Drift, verändert den Zeitrang. Wird bei S8 festgestellt, dass der Zeitrang ZR größer als der Grenzwert GW ist, Abfrageergebnis S8: ja, so wird bei S9 ein

Wamhinweis sowie die verbleibende Restnutzungsdauer ausgegeben und der

Programmablauf bei S10 fortgesetzt. Wird hingegen bei S8 festgestellt, dass der Zeitrang ZR kleiner als der Grenzwert GW ist, Abfrageergebnis S8: nein, so wird der

Programmablauf beim Punkt D und S10 fortgesetzt. Über die Abfrage des Zeitrangs kann ein Sensor-Ausfall, zum Beispiel des NOx- Sensors, erkannt werden. Ebenso kann hierdurch eine nicht statthafte Manipulation der Brennkraftmaschine erkannt werden. Anhand des Zeitrangs wird ab geschätzt wie lange ein modellbasierter Weiterbetrieb der

Brennkraftmaschine trotz Sensor defekts noch möglich ist. Bei S10 wird geprüft, ob die adaptierten Werte im Hauptprogramm verwendet werden sollen. Bei positiven Prüfung, Abfrageergebnis S10: ja, erfolgt eine Rückkehr ins Hauptprogramm der Figur 4 mit

Ergebnisübergabe ans Hauptprogramm. Bei negativer Prüfung, Abfrageergebnis S10: nein, erfolgt eine Rückkehr ins Hauptprogramm der Figur 4 ohne Ergebnisübergabe ans

Hauptprogramm.

In der Figur 6 ist der Fall dargestellt, dass der aktuelle Adaptionsdatenpunkt nicht im gültigen Konfidenzbereichs liegt. Definiert wird der gültige Konfidenzbereichs anhand der Mittelwerts MW (Erwartungswert My) und der Kovarianz (Sigma 2 ). Die Figur 6 umfasst die Figuren 6A bis 6D. Zur besseren Darstellung sind diese zweidimensional dargestellt. Auf der Abszisse aufgetragen ist hierbei eine Größe X, welche stellvertretend für die

Eingangsgrößen des Modells stehen, also zum Beispiel dem Spritzbeginn SB, dem

Raddruck pCR, dem Ladeluftdruck pLL oder der Feuchte phi der Ladeluft. Auf der Ordinate dargestellt ist eine Größe Y, welche stellvertretend für adaptierbare Modellwerte steht, zum Beispiel für NOx oder die Abgastemperatur. Nicht adaptierbare Größen sind zum Beispiel der Ruß, das Moment oder der Kraftstoffverbrauch, welche ebenfalls über die Gleichung (2) dargestellt werden . In der Praxis sind die Größen X und Y also multidimensional . In der Figur 6A dargestellt sind ein erster Adaptionsdatenpunkt A (2/1), ein zweiter

Adaptionsdatenpunkt B (3/1) und ein aktueller Adaptionsdatenpunkt C (2.5/0). Der aktuelle Adaptionsdatenpunkt C liegt nicht innerhalb des gültigen Konfidenzbereichs KB, welcher in der Figur schraffiert dargestellt ist. Danach wird geprüft, wie sich der gültige

Konfidenzbereich KB (Fig. 6A) durch das Entfernen des ersten Adaptionsdatenpunkts A (2/1) verändern würde. Aus der Figur 6B wird ersichtlich, dass trotz Entfemens des ersten Adaption sdatenpunkts A der aktuelle Adaptionsdatenpunkt C nach wie vor außerhalb des neuen Konfidenzbereichs KB1 liegen würde. Daher wird der erste Adaptionsdatenpunkt A nicht entfernt, sondern der zweite Adaptionsdatenpunkt B (3/1). Wie in der Figur 6C dargestellt ist, liegt nunmehr der aktuelle Adaptionsdatenwert C innerhalb des neuen Konfidenzbereichs KB2. Daher wird das zweite Gauß-Prozessmodell in der Form angepasst, dass der aktuelle Adaptionsdatenpunkt C (2.5/0) übernommen wird und der bereits abgespeicherte erste Adaptionsdatenpunkt A (2/1) verbleibt. Aufgrund der Neuberechnung ergibt sich dann ein neuer Konfidenzbereich KB, wie in der Figur 6D dargestellt. In der Figur 7 ist der Fall dargestellt, dass der aktuelle Adaptionsdatenpunkt innerhalb des aktuellen Konfidenzbereichs KB liegt. Die Figur 7 umfasst die Figuren 7A und 7B. Die auf der Abszisse aufgetragene Größe X und die auf der Ordinate aufgetragene Größe Y entsprechen den in der Figur 6 beschriebenen Größen. In der Figur 7A dargestellt sind ein erster Adaptionsdatenpunkt A (2/1), ein zweiter Adaptionsdatenpunkt B (3/1) und ein aktueller Adaptionsdatenpunkt C (4/1). Da der aktuelle Adaptionsdatenpunkt C innerhalb des gültigen Konfidenzbereichs KB liegt, wird der aktuelle Adaptionsdatenpunkt C in das zweite Gauß-Prozessmodell übernommen und anschließend der neue Konfidenzbereich KB berechnet. Aufgrund der Neuberechnung des Konfidenzbereichs ist dieser zwischen den Adaptionsdatenpunkten A bis C deutlich schmäler. Siehe hierzu Figur 7B. Ein schmalerer Konfidenzbereich zeigt eine verbesserte Güte.

In der Figur 8 ist der Fall einer Rückanpassung des ersten Gauß-Prozessmodells über das zweite Gauß-Prozessmodell dargestellt. Die Figur 8 umfasst die Figuren 8A und 8B. Die Figur 8A zeigt im Detail D, dass das erste Gauß-Prozessmodell (durchgezogene Linie) sich vom Mittelwert des zweiten Gauß-Prozessmodells (strichpunktierte Linie) unterscheidet. Die Rückanpassung geschieht in der Lorm, dass der Erwartungswert des ersten Gauß- Prozessmodells so angepasst wird, dass dieser den Adaptionsdatenpunkten des zweiten Gauß-Prozessmodells entspricht, siehe Ligur 8B.

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 V erbrennungsmodell

21 Adaption

22 Gaspfadmodell

23 Optimierer

24 Raddruck-Regelkreis

25 Lambda-Regelkreis

26 AGR-Regelkreis

27 Erster Funktionsblock (DoE-Daten)

28 Zweiter Funktionsblock (Daten Einzylinder)

29 Modell

30 Erstes Gauß-Prozessmodell (GP1)

31 Zweites Gauß-Prozessmodell (GP2)

32 Modellwert