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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung des Betriebs eines
Verbrennungsmotors, insbesondere hinsichtlich ökologischer und ökonomischer
Zielgrößen. Die
Erfindung betrifft außerdem eine
Vorrichtung zur Durchführung
eines solchen Verfahrens.
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Ein
moderner Verbrennungsmotor weist mehrere Aktuatoren auf, wie z.B.
eine Drosselklappe, mehrere Einspritzventile, ein Abgasrückführungsventil,
einen Verstellantrieb für
einen Turbolader mit verstellbarer Turbinengeometrie, eine Kraftstoffpumpe, ein
Regelelement für
einen Ladeluftkühler.
Diese Aktuatoren werden üblicherweise
mit einem Steuergerät
in Abhängigkeit
von Kennfeldern betätigt,
die für eine
Vielzahl von Betriebspunkten des Verbrennungsmotors die passenden
Stellgrößen für die Aktuatoren
enthalten. Verbrennungsmotoren müssen
immer strenger werdende Abgasgrenzwerte erfüllen und sollen dabei möglichst
niedrige Kraftstoffverbräuche
und Geräuschemissionen
zeigen. Beispielsweise muß bei
diesen Motoren das Verbrennungsgeräusch durch eine entsprechende
Abstimmung der Verbrennung möglichst
leise gehalten werden. Es ist klar, daß zur Erzielung einer langen
Lebenszeit vorgegebene Belastungsgrenzen hinsichtlich thermischer
und/oder mechanischer Beanspruchungen der Bauteile nicht überschritten
werden dürfen.
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Mit
Hilfe der am Verbrennungsmotor ausgebildeten Aktuatoren und der
zugehörigen
Hilfsaggregate wird versucht, in Abhängigkeit des jeweiligen Motorbetriebszustandes,
z.B. die Abgasemission und den Kraftstoffverbrauch zu beeinflussen.
Eine entsprechende Sensorik ermöglicht
dabei die Ermittlung des jeweiligen Motorbetriebszustandes. Das Steuergerät des Verbrennungsmotors
betätigt
die Aktuatoren im Sinne einer Steuerung und/oder einer Regelung
in Abhängigkeit
von Kennfeldern bzw. Kennlinien, in denen die Stellgrößen für die Aktuatoren
in Abhängigkeit
der Betriebszustände
abgelegt sind. Beispielsweise wird ein Motorbetriebszustand regelmäßig durch
die Motorlast und die Motordrehzahl definiert, wobei sich die Motorlast
bei einem Verbrennungsmotor, der für alle Zylinder eine gemeinsame
Hochdruckleitung für
die Kraftstoffzuführung („Common-Rail-Prinzip") aufweist, besonders
einfach aus der Einspritzdauer und dem Einspritzdruck ermitteln
läßt, da die
Motorlast von der eingespritzten Kraftstoffmenge abhängt.
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Die
bei einem Serienfahrzeug vorhandene Sensorik ermöglicht keine direkte Messung
der oben genannten Belastungsgrenzen und Zielgrößen für den Motorbetrieb, wie Kraftstoffverbrauch,
Abgas- und Geräuschemissionen
sowie thermische und mechanische Motorbelastung. Dementsprechend
müssen
für jeden
einzelnen Betriebspunkt des Verbrennungsmotors die optimalen Werte
für die
Stellgrößen der
Aktuatoren in einem speziellen Motorprüfstand ermittelt werden, der
die entsprechende Sensorik für die
Messung der Zielgrößen und
Motorbelastungen aufweist. Das Auffinden der optimalen Stellgrößen in einem
Motorprüfstand
und deren Speicherung in Kennfeldern wird als Bedatung des Steuergerätes bezeichnet.
Diese Bedatung wird derzeit manuell von einem Versuchsingenieur
oder Applikateur durchgeführt.
Durch die steigende Anzahl von Aktuatoren und durch die wechselseitige
Verkopplung von Stellgrößen und
Zielgrößen wird
diese Bedatung des Steuergerätes
extrem aufwendig und zeitintensiv, so daß im Hinblick auf vorgegebene
Zielgrößen optimale
Stellgrößen nicht
mehr gefunden werden können.
Die in den Kennfeldern abgelegten Stellgrößen stellen daher regelmäßig nur
noch einen Kompromiß dar,
der im Rahmen eines vertretbaren Aufwandes noch die Einhaltung der
gesetzlich vorgeschriebenen Zielgrößen gewährleistet.
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Herkömmlicherweise
geht der Applikateur nach dem Prinzip der sogenannten „Rasterfahndung" vor, um die optimalen
Stellgrößen für den Betrieb
des Verbrennungsmotors zu finden. Hierbei müssen zur Suche des Minimums
einer Zielfunktion alle möglichen
Stellgrößen der
Aktuatoren systematisch eingestellt werden. Da der funktionale Zusammenhang
der Aktuatorenstellungen und der jeweiligen Zielfunktion mehrere
lokale Minima aufweisen kann, müssen
für jede
einzelne Aktuatorstellung wenigstens fünf Variationen am Motorprüfstand eingestellt
werden. Durch das notwendige Abwarten, bis sich jeweils ein konstanter
oder statischer Motorzustand eingestellt hat und die notwendige
Zeit zur Erfassung der Meßwerte ergibt
sich ein Zeitbedarf pro Variation von etwa 6 bis 8 Minuten. Wenn
beispielsweise 8 unabhängig
voneinander verstellbare Aktuatoren vorliegen, ergibt sich dadurch
ein Zeitbedarf von ca. 40.000 Stunden pro Betriebspunkt. Da ein
Kennfeld in der Regel 256 Betriebspunkte umfaßt, kann eine Rasterfahndung bei
modernen Verbrennungsmotoren normalerweise nicht zu einer optimalen
Kombination der Stellgrößen für den gesamten
Betriebsbereich des Verbrennungsmotors führen.
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Mit
Hilfe von sogenannten „Ansatzfunktionen" kann die Anzahl
der notwendigen Variationen für
die Aktuatoreneinstellungen gegenüber der Rasterfahndung beträchtlich
reduziert werden. Hierbei werden die funktionalen Zusammenhänge zwischen Stellgrößen und
Zielgrößen mittels
vorgegebener Polynome mathematisch beschrieben. Diese Polynome beschreiben
dabei keinen physikalischen Zusammenhang, sondern sind rein empirisch
durch Approximation bereits vorhandener Daten aufgestellte Polynome.
Die in den Polynomen auftretenden Koeffizienten müssen durch
voneinander unabhängige
Variationen der Stellgrößen an jedem
Betriebspunkt berechnet werden. Sinnvollerweise müssen mehr
Variationen durchgeführt
werden, als Koeffizienten in den Polynomen auftreten, um entscheiden
zu können,
ob der mittels des Polynoms beschriebene Zusammenhang am jeweiligen
Betriebspunkt gilt oder ausreichend genau ist. Eine erfolgreiche
Anwendung der Ansatzfunktionen setzt daher eine umfangreiche Datenbasis
voraus. Bei wenigen Aktuatoren, d.h. nicht mehr als 3 Aktuatoren,
können
die Ansatzfunktionen sinnvoll eingesetzt werden. Bei einer größeren Anzahl
von Einstellgrößen, die
bei modernen Verbrennungsmotoren vorliegt, wird die Ermittlung der
Ansatzfunktionen schnell aufwendig. Insbesondere dann, wenn sich
die Aktuatorenstellungen gegenseitig beeinflussen, kann sich die
Ermittlung der Ansatzfunktionen als extrem aufwendig oder sogar
unmöglich
herausstellen.
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In „Kampelmühler F.T.:
Automatische Motormanagement-Abstimmung,
ATZ/MTZ Sonderheft Motor und Umwelt, 1992, S. 46–48" wird ein Verfahren zur automatischen
Motormanagement-Abstimmung
beschrieben. Bei diesem Verfahren erfolgt in einem Startzyklus zunächst die
Variation aller Einstellgrößen in zuvor
festgelegten Betriebspunkten in einem grobem Raster. Nach Beendigung
dieser Prozedur werden in den einzelnen Betriebspunkten die Zielfunktionen
durch Funktionen zweiten Grades nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate
angenähert
und das Optimum unter Berücksichtigung der
Grenzbeziehungen berechnet. Danach wird die Frage gestellt, ob die
aufgestellten Grenzbeziehungen mit der gegebenen Motorausrüstung überhaupt eingehalten
werden können.
Ist dies nicht der Fall, wird die Optimierung schon nach dem Startzyklus
abgebrochen, um für
eine Wiederholung des Startzyklus eine Änderung der Motorausrüstung durchzuführen. Ist
jedoch die Abfrage nach der Einhaltung der Grenzbeziehungen am Ende
des Startzyklus positiv, erfolgt ein weitere Optimierungszyklus
in einem wesentlichen engeren Raster im Bereich des zuvor berechneten
Optimums. Dieser weitere Schritt ist erforderlich, weil die Darstellung
der Zielfunktionen mittels quadratischer Funktionen in einem weiten
Wertebereich doch zu Abweichungen zwischen dem berechneten und den
tatsächlichen
Optimums führen
kann. Weitere Optimierungszyklen werden bei fortschreitender Einengung
des Variationsbereichs solange wiederholt, bis ein definierbares
Abbruchkriterium positiv erfüllt
wird. In der Regel sind nach dem Startzyklus noch ein bis zwei Optimierungszyklen
erforderlich. Danach erfolgt die Bewertung der Ergebnisse, und in
einem Kennfeldrechner kann die Bestimmung der Grundkennfelder durchgeführt werden. Nach
der Übertragung
dieser Grundkennfelder an die Motorelektronik ist der Motor mit
den vollautomatisch ermittelten Betriebsdatensätzen bereit für weitere Entwicklungsarbeiten.
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Bei
diesem bekannten automatisierten Verfahren wird die bislang manuell
durchgeführte
Optimierungsarbeit softwaregesteuert automatisiert und insbesondere
auf mehrdimensionale Kennfelder erweitert. Nachteilig ist jedoch
weiterhin, dass jede Stellgrößen-Variation
erst dann zu einer Zielgröße führen kann,
wenn der jeweilige Motor einen stationären Betriebszustand erreicht
hat. Die Optimierung des Betriebskennfelds erfolgt somit auch hier On-Line
und erfordert noch immer relativ viel Prüfstandszeit.
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In „Bredenbeck
J. et al.: Verkürzung
der Entwicklungszeiten für
moderne Antriebe durch VEGA, ATZ/MTZ Sonderausgabe System Partners,
1997, S. 90–93" wird ein weiteres
Verfahren zur Verkürzung der
Entwicklungszeiten für
moderne Antriebe vorgestellt. Auch dieses Verfahren arbeitet mit
lokaler und globaler Optimierung. Bei der lokalen Optimierung wird
das jeweilige Optimierungsziel jeweils für einen einzelnen Betriebspunkt
verfolgt, während
bei der globalen Optimierung ein repräsentatives Betriebspunktekollektiv
im Hinblick auf das jeweilige Optimierungsziel untersucht wird.
Das bekannte Verfahren arbeitet bei allen Optimierungsaufgaben nach
dem Prinzip der modellgestützten
Optimierung, das sich durch die Zwischenschaltung eines Datenmanagers zwischen
dem Optimierungsalgorithmus und dem Motorprozess auszeichnet. Wenn
der Optimierungsalgorithmus Messwerte für Verstellgrößen-Kombinationen anfordert,
prüft der
Datenmanager ob er diese bereits gespeichert hat oder ob diese Messwerte
erst durch Ausgabe der jeweiligen Verstellgrößen-Kombination an den Motor ermittelt
werden müssen.
Die Messwerte zu allen an den Motor ausgegebenen Verstellgrößen-Kombinationen
werden als Motormodell gespeichert und stehen damit für spätere Anforderungen
stets zur Verfügung.
Hierdurch kann der zeitintensive Messaufwand erheblich reduziert
werden.
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Auch
bei diesem bekannten Verfahren werden die Zielgrößen für unbekannte Stellgrößen zwar automatisiert,
jedoch stets On-Line,
also mit dem jeweiligen Motor auf dem Prüfstand ermittelt. Auch dies ist
aufgrund der Vielzahl an Stellgrößen-Kombinationen bei
modernen Motoren sehr zeitintensiv.
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Für jeden
neuen Verbrennungsmotor muß eine
solche Bedatung des Steuergerätes
durchgeführt
werden. Darüberhinaus
muß für jede den
Betrieb des Verbennungsmotors beeinflussende Konstruktionsänderung
des Verbrennungsmotors eine neue Bedatung des Steuergerätes durchgeführt werden.
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt
sich mit dem Problem, den Zeitaufwand für die Optimierung des Betriebs
eines Verbrennungsmotors zu verkürzen.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß durch
ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, am Motorprüfstand,
d.h. On-Line, eine Datenbasis für
jeden Betriebspunkt zu schaffen, die es in Verbindung mit einem
physikalischen Motormodell ermöglicht,
den funktionalen Zusammenhang zwischen den Stellgrößen und
den Zielgrößen zu beschreiben.
Hierdurch ist es dann möglich,
am Rechner, d.h. Off-Line, die Optimierung der Stellgrößen in Abhängigkeit
gewünschter
Zielgrößen durchzuführen. Da
beim erfindungsgemäßen Verfahren
die eigentliche Optimierung der Stellgrößen am Computer bzw. am Rechner
erfolgt, können
die einzelnen Variationen der Stellgrößen extrem schnell durchgeführt werden.
Bei heutigen Rechnern benötigt
die Ermittlung der Zielgrößen für eine erfindungsgemäß Off-Line durchgeführte Stellgrößenvariation
etwa 5 Sekunden, während
eine herkömmliche
On-Line durchgeführte
Stellgrößenvariation – wie oben
angeführt – etwa 6
bis 8 Minuten benötigt.
Dieser Vorteil wird jedoch mit schnelleren und leistungsstärkeren Rechnern
zunehmend vergrößert. Der
sich dadurch ergebende wirtschaftliche Vorteil liegt auf der Hand.
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Unter
einem physikalischen Motormodell wird hierbei die mathematisch physikalische
Beschreibung des Verbrennungsmotors als Modell verstanden. Dabei
ist es durchaus möglich,
das Motormodell in mehrere Teilmodelle aufzuteilen, beispielsweise
jeweils in ein separates physikalisches Teilmodell für den Ladeluftkühler, den
Turbolader, die Abgasrückführung. Jedes
der Teilmodelle beschreibt vollständig das für die automatische Motoroptimierung
relevante motorische Verhalten und ermöglicht die Ermittlung der erforderlichen
Zielgrößen in Abhängigkeit
der Stellgrößen. Das
physikalische Motormodell beschreibt insbesondere die Thermodynamik und
Strömungsdynamik
des Systems „Verbrennungsmotor" . Mechanische Einflüsse, z.B.
in Form der Motorreibung, können
durch Kennfelder berücksichtigt
werden. Das physikalische Motormodell kann dabei mehrere halbempirische
Näherungsfunktionen zur
Berechnung enthalten, deren Koeffizienten betriebspunktabhängig kalibriert
werden müssen.
Dementsprechend benötigt
auch ein physikalisches Modell Variationen der Stellgrößen, um
es an jedem Betriebspunkt abzustimmen. Jedoch ist die Anzahl dieser
Parameter-Variationen
bzw. Stellgrößen-Variationen
deutlich kleiner als beispielsweise bei der Ermittlung der Ansatzfunktionen.
Denn im physikalischen Motormodell sind z.B. die thermodynamischen
Zusammenhänge
enthalten und müssen
nicht durch empirische Formeln beschrieben werden. Insbesondere
können
die z.B. bei Ansatzfunktionen auftretenden Schwierigkeiten hinsichtlich
gegenseitiger Abhängigkeiten
der Stellgrößen vermieden
werden.
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Das
erfindungsgemäße Optimierungsverfahren
benötigt
für jeden
Betriebspunkt die Einstellgrenzen für die Stellgrößen aller Aktuatoren.
Diese Einstellgrenzen sind entweder aus früheren Versuchen bereits bekannt
und können
dann ohne weiteres aus einem entsprechenden Datenspeicher in die
Datenbank eingelesen werden. Falls die Einstellgrenzen jedoch nicht
bekannt sind, müssen
diese im Motorenprüfstand
ermittelt werden. Zu diesem Zweck wird bei einer Weiterbildung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
zum Einstellen und Variieren der Stellgrößen ein spezielles Entwicklungssteuergerät verwendet,
das die Verstellung der Stellgröße eines
Aktuators unabhängig
von den Stellgrößen der
anderen Aktuatoren ermöglicht.
Auf diese Weise kann eine eindeutige Zuordnung zwischen den Stellgrößen und
den Betriebsgrenzen sowie den Zielgrößen erreicht werden.
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Dies
ist von besonderer Bedeutung, da ein herkömmliches Motorsteuergerät stets
so aufgebaut ist, daß die
Stellgrößen der
Aktuatoren auf eine vorbestimmte Art miteinander verknüpft sind.
Dies hat zur Folge, daß die
Einstellung einer Stellgröße bei einem
einzigen Aktuator stets eine Verstellung der Stellgröße bei wenigstens
einem anderen Aktuator zur Folge hat. Die Verwendung eines solchen
Entwicklungssteuergerätes
hat demnach für
das erfindungsgemäße Optimierungsverfahren
eine extreme Vereinfachung zur Folge.
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Wenn
der Verbrennungsmotor mit einem grundsätzlich herkömmlichen Seriensteuergerät betrieben
werden soll, bei dem eine interne Verknüpfung der Stellgrößen der
Aktuatoren vorliegt, muß dies
bei der Bedatung der Kennfelder dieses Seriensteuergerätes berücksichtigt
werden, da die berechneten optimierten Stellgrößen durch die Wechselwirkung
mit anderen Stellgrößen nicht
zu den gewünschten
Zielgrößen führen können. Entsprechend einer
Weiterbildung des erfindungsgemäßen Optimierungsverfahrens
können
für die
Bedatung der Kennfelder des Seriensteuergerätes die Kennfelddaten des Seriensteuergerätes für jeden
Betriebspunkt so lange variiert werden, bis die vom Seriensteuergerät generierten
und miteinander verknüpften
Stellgrößen den
mit dem physikalischen Motormodell berechneten optimalen Stellgrößen entsprechen.
Auf diese Weise erfolgt eine Adaption der optimierten Stellgrößen an das
jeweilige Seriensteuergerät.
Diese Adaption kann systematisch und somit programmgesteuert durchgeführt werden.
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Das
der Erfindung zugrundeliegende Problem wird auch durch eine Vorrichtung
mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich
aus den Unteransprüchen
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Es
versteht sich, daß die
vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird in der
nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
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Es
zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine
Prinzipdarstellung des physikalischen Motormodells,
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2 eine
Prinzipdarstellung für
den Ablauf der Datenerfassung zur Bildung einer Datenbasis,
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3 eine
Prinzipdarstellung für
den Ablauf der Datenoptimierung und Steuergerätbedatung.
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Entsprechend 1 kann
ein physikalisches Motormodell 1 aus mehreren Teilmodellen 2 bis 7 aufgebaut
sein. Das Teilmodell 2 beschreibt beispielsweise die Vorgänge eines
Ladeluftkühlers.
Das Teilmodell 3 kann eine mathematische bzw. physikalische
Beschreibung der Vorgänge
in einem Turbolader widerspiegeln. Die Funktionsweise einer Abgasrückführungseinrichtung
kann z.B. im Teilmodell 4 erläutert sein, während das
Teilmodell 5 beispielsweise den Reibungseinfluß innerhalb
des Motors beschreibt. Im Teilmodell 6 können die
Zusammenhänge
der Kraftstoffverbrennung in den Motorzylindern dargestellt werden,
während
das Teilmodell 7 beispielsweise die Ladungswechselvorgänge beschreibt.
Die vorgenannten Teilmodelle 2 bis 7 sind lediglich
beispielhaft aufgezählt,
so daß durchaus weitere
Teilmodelle hinzukommen können.
Ebenso können
mehrere Teilmodelle zusammengefaßt werden.
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Im
physikalischen Motormodell 1 werden naturgemäß ausschließlich mathematische
bzw. physikalische Größen verarbeitet.
Dementsprechend erhält
das Motormodell 1 an einer Eingangsseite 8 physikalische
Eingangsgrößen 9 und 10,
die durch Pfeile symbolisiert sind. Die physikalischen Eingangsgrößen 9 repräsentieren
beispielsweise elektrische Stellsignale, die durch einen Pfeil 11 symbolisiert
sind und einer Übertragungseinheit 12 zugeführt werden, welche
die elektrischen Stellsignale 11 in physikalische Eingangsgrößen 9 für das Motormodell 1 umwandelt.
Die Stellsignale 11 repräsentieren ihrerseits die Stellgrößen der
Aktuatoren, die in 1 in einem Feld 13 zusammengefaßt sind.
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Andere
physikalische Eingangsgrößen 10 repräsentieren
beispielsweise elektronische Meßsignale 14,
die gemäß dem zugeordneten
Pfeil ebenfalls einer Übertragungseinheit 15 zugeführt werden,
die aus den eingehenden elektrischen Meßsignalen 14 physikalische
Eingangsgrößen 10 ermittelt.
Die Meßsignale 14 repräsentieren
ihrerseits Meßgrößen von Sensoren,
die hier in einem Feld 16 zusammengefaßt sind. Diese Sensoren sind
dabei Bestandteil einer Sensorik des Verbrennungsmotors und können beispielsweise
bei einem Verbrennungsmotor mit Common-Rail-System den Einspritzdruck,
den sogenannten „Rail-Druck" messen.
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Aus
den physikalischen Eingangsgrößen 9 und 10 ermittelt
das physikalische Motormodell 1 mit Hilfe seiner Teilmodelle 2 bis 7 physikalische
Ausgangsgrößen 17, 18, 19,
die hier ebenfalls durch Pfeile symbolisiert sind und an einer Ausgangsseite 20 des
Motormodells 1 bereitgestellt werden. Beispielsweise liefert
das Motormodell 1 physikalische Ausgangsgrößen 17,
die zunächst
wieder einer Übertragungseinheit 21 zugeführt und
dort in elektronische Signale 22 transferiert werden, die
beispielsweise Meßgrößen repräsentieren.
Diese Meßgrößen 22 können ihrerseits
wieder mittels einer Sensorik 23 des Verbrennungsmotors
gemessen werden. Das Motormodell 1 berechnet somit auch
Meßgrößen, die sich
aufgrund der gewählten
Aktuatorenstellungen am Verbrennungsmotor selbsttätig einstellen.
Insoweit werden hier berechnete Meßgrößen 23 von konditionierten
bzw. vorgegebenen Meßgrößen 16 unterschieden.
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Das
Motormodell 1 liefert auch physikalische Ausgangsgrößen 18,
die Zielgrößen 24 entsprechen, die
den Anlaß für die Motoroptimierung
geben. Zielgrößen 24 sind
beispielsweise die Schadstoffemission, die Geräuschentwicklung und der Kraftstoffverbrauch
des Verbrennungsmotors.
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Des
weiteren berechnet das Motormodell Ausgangsgrößen 19, die Belastungsgrenzen 25 des Verbrennungsmotors
zugeordnet sind, die bei der Optimierung des Verbrennungsmotors
zwingend berücksichtigt
werden müssen.
Derartige Belastungsgrenzen 25 sind beispielsweise die
Abgastemperatur und der Spitzendruck bei der Kraftstoffverbrennung.
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Das
physikalische Motormodell 1 liefert somit Ausgangsgrößen 17, 18, 19,
d.h. Meßgrößen 23, Zielgrößen 24, Belastungsgrenzen 25,
in Abhängigkeit
von Eingangsgrößen 9, 10,
d.h. Stellgrößen 13 und
Meßgrößen 16.
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Dieses
Motormodell 1 enthält
mehrere halbempirische Näherungsfunktionen
zur Berechnung bestimmter physikalischer Größen, beispielsweise für die NOx-Bildung. Die Koeffizienten dieser Näherungsfunktionen
müssen
betriebspunktabhängig
kalibriert werden, um das physikalische Motormodell 1 an
den jeweiligen Verbrennungsmotor anzupassen. Dementsprechend benötigt das
physikalische Motormodell Variationen der Stellgrößen 13,
um es an jedem Betriebspunkt des Verbrennungsmotors abzustimmen.
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Entsprechend 2 wird
zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Optimierungsverfahrens
ein Motorprüfstand 26 benötigt, der
hier durch einen mit unterbrochener Linie dargestellten Rahmen symbolisiert
ist. In diesem Motorprüfstand 26 kann
ein Verbrennungsmotor 27 betrieben werden, wobei der Motorprüfstand 26 über eine
geeignete Sensorik verfügt, mit
denen die Zielgrößen 24 des
Motorbetriebs ermittelt werden können.
Der Motorprüfstand 26 wird
beispielsweise mit Hilfe einer Prüfstandsteuerung 28 betrieben,
wobei diese Prüfstandsteuerung 28 hier
eine Meßdatenerfassung
enthält,
die mit der Sensorik des Prüfstandes 26 verbunden
ist.
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Die
Prüfstandsteuerung 28 kommuniziert
mit einer Datenverarbeitungsanlage 29 und leitet dieser die
Betriebsdaten des Motorprüfstandes 26 sowie
die Meßwerte
der Sensorik zu. Die Datenverarbeitungsanlage 29 umfaßt dabei
einen Rechner 30 mit einer Ermittlungseinheit 31,
einer Kalibriereinheit 32, einer Modelleinheit 33 und
einer Überprüfungseinheit 34. Außerdem verfügt der Rechner 30 über eine
Datenbank 35. Die Ermittlungseinheit 31 enthält eine
zur Ermittlung der Einstellgrenzen geeignete Programmierung, d.h.
die Ermittlungseinheit 31 repräsentiert die dazu erforderlichen
Algorithmen. Dementsprechend enthält die Kalibriereinheit 32 eine
zur Kalibrierung des physikalischen Motormodells 1 geeignete Programmierung
bzw. repräsentiert
die dazu erforderlichen Algorithmen. In der Modelleinheit 33 ist
das physikalische Motormodell 1 enthalten, wobei die Modelleinheit 33 die
entsprechende Programmierung bzw. die zugehörigen Algorithmen repräsentiert.
In entsprechender Weise enthält
die Überprüfungseinheit 34 eine
zur Überprüfung der
Kalibrierung des physikalischen Motormodells 1 geeignete
Programmierung, d.h. auch die Überprüfungseinheit 34 repräsentiert
die dazu erforderlichen Algorithmen. Die Datenbank 35 kann
in den Rechner 30 integriert sein oder extern angeordnet
sein.
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Eine
Steuerungseinheit 36 enthält ein Entwicklungssteuergerät 37 zur
Betätigung
der nicht näher
dargestellten Aktuatoren des Verbrennungsmotors 27. Die
Steuerungseinheit 36 ist mit der Datenverarbeitungsanlage 29 bzw.
mit deren Rechner 30 gekoppelt. Ein zusätzlicher Rechner oder Applikationsrechner 38 bildet
eine Schnittstelle zwischen Rechner 30 und Entwicklungssteuergerät 37.
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Eine
erste Phase der Motoroptimierung, die auch als „On-Line-Optimierung" bezeichnet werden kann, läuft im wesentlichen
wie folgt ab:
Für
jeden zu optimierenden Betriebspunkt des Verbrennungsmotors 27 werden
für jeden
einzelnen Aktuator die Einstellgrenzen für die Stellgrößen 13 in
die Datenbank 35 eingelesen. Sofern die Einstellgrenzen des
Verbrennungsmotors 27 an sich bekannt sind, erfolgt dieses
Einlesen entweder manuell oder aus einem entsprechenden Speichermedium.
Die Einstellgrenzen hängen
dabei von Belastungsgrenzwerten des Verbrennungsmotors 27 ab,
wie z.B. Abgastemperatur, Spitzendruck, Gleichlaufschwankungen der Verbrennung.
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Für den Fall,
daß die
Einstellgrenzen nicht bekannt sind, läuft das Programm der Ermittlungseinheit 31 ab,
wobei jeder einzelne Aktuator über
die Steuerungseinheit 36 so lange verstellt wird, bis eine der
vorbestimmten und einstellbaren Belastungsgrenzen erreicht ist.
Die so ermittelten Einstellgrenzen werden in der Datenbank 35 gespeichert.
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Um
diese Ermittlung der Einstellgrenzen durchführen zu können, wird das spezielle Entwicklungssteuergerät 37 benötigt, das
eine Verstellung der Stellgröße eines
Aktuators unabhängig
von den Stellgrößen der
anderen Aktuatoren ermöglicht.
Ein Seriensteuergerät
kann hierzu nicht verwendet werden, da dort regelmäßig eine
interne Verknüpfung
der Stellgrößen vorgegeben
ist, so daß die
Verstellung einer Stellgröße eines
Aktuators regelmäßig die
Verstellung der Stellgröße von wenigstens
einem weiteren Aktuator zur Folge hat.
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Die Überwachung
der Belastungsgrenzen erfolgt dabei durch die Sensorik des Motorprüfstandes 26.
Bei dieser Art der Ermittlung der Einstellgrenzen muß der Verbrennungsmotor 27 im
Motorprüfstand 26 in
Abhängigkeit
der jeweils eingestellten Stellgrößen betrieben werden.
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Nach
der Ermittlung der Einstellgrenzen läuft das Programm der Kalibriereinheit 32 ab,
wobei der Motor 27 für
eine definierte Anzahl von Variationen der Stellgrößen betrieben
wird. Der Motorprüfstand 26 ermöglicht dann
die Messung der Zielgrößen, die sich
aufgrund der jeweils eingestellten Stellgrößen-Variation am Verbrennungsmotor 27 einstellen. Bei
der Auswahl der Stellgrößen für die jeweilige
Variation werden die zuvor ermittelten Einstellgrenzen berücksichtigt.
Die minimale Anzahl an einzustellenden und auszumessenden Stellgrößen-Variationen entspricht
dabei der Anzahl der zu bestimmenden Koeffizienten im physikalischen
Motormodell. Bei einer größeren Anzahl
als der minimal erforderlichen Anzahl wird die beste Annäherung nach
der Methode der „kleinsten
Fehlerquadratsumme" rechnerisch
gesucht.
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Nach
dieser Kalibrierung des physikalischen Motormodells wird das Programm
der Überprüfungseinheit 34 abgearbeitet,
um festzustellen, ob das kalibrierte Motormodell ausreichend genau
arbeitet. Zur Überprüfung wird
dann wenigstens eine weitere Stellgrößen-Variation am Verbrennungsmotor 27 eingestellt,
um die durch den Motorbetrieb daraus resultierenden Zielgrößen (Ist-Zielgrößen) On-Line
zu erfassen. Parallel dazu werden die Zielgrößen (Soll-Zielgrößen) in Abhängigkeit dieser Stellgrößen-Variation
mit Hilfe des kalibrierten Motormodells Off-Line berechnet. Anschließend werden
die am realen Verbrennungsmotor 27 gemessenen Ist-Zielgrößen mit
den für
den virtuellen Verbrennungsmotor des Motormodells berechneten Soll-Zielgrößen verglichen.
Die Überprüfungseinheit 34 stellt
anhand dieses Vergleichs fest, ob das kalibrierte Motormodell hinreichend
genau mit der Realität übereinstimmt oder
ob zu große
Abweichungen zwischen Realität und
Modell vorliegen.
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Für den Fall,
daß das
kalibrierte Motormodell nicht hinreichend genau arbeitet, werden
beispielsweise die Einstellgrenzen der Aktuator-Stellgrößen reduziert,
um den möglichen
Einstellbereich etwas einzuschränken.
Anschließend
wird die Kalibrierung des Motormodells wiederholt und erneut eine Überprüfung durchgeführt.
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Falls
das kalibrierte Motormodell hinreichend genau mit der Realität übereinstimmt,
werden die berechneten Koeffizienten des kalibrierten physikalischen
Motormodells für
den jeweiligen Betriebspunkt in der Datenbank 35 gespeichert.
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Auch
für die
Einstellung der Stellgrößen-Variationen,
d.h. für
die Kalibrierung des physikalischen Motormodells sowie für die Überprüfung des
kalibrierten Motormodells, ist die Verwendung des Entwicklungssteuergerätes 37 von
besonderem Vorteil, da hier einzelne Stellgrößen gezielt, also unabhängig von
den anderen Stellgrößen, eingestellt
werden können.
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Diese
Prozedur wird für
jeden einzelnen Betriebspunkt durchgeführt.
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Auf
diese Weise wird in der Datenbank 35 eine Datenbasis geschaffen,
mit deren Hilfe die im folgenden beschriebene zweite Phase der Motoroptimierung,
die sogenannte „Off-Line-Optimierung" durchgeführt werden
kann:
Entsprechend 3 wird mittels eines Optimierungsrechners 53,
der zur Durchführung
eines mathematischen Verfahrens, z.B. eine genetische Analyse, programmiert
ist, für
jeden einzelnen Betriebspunkt die optimale Kombination der Stellgrößen für die Aktuatoren
im Hinblick auf vorbestimmte Zielgrößen, wie z.B. gesetzliche vorgeschriebene
Grenzwerte für Schadstoffemission
und Geräuschemission
und ein geringer Kraftstoffverbrauch, berechnet. Hierbei werden
die Stellgrößen am virtuellen
Motor des kalibrierten physikalischen Motormodells 39 „eingestellt" bzw. als Eingangsgrößen verwendet,
um daraus ohne Motorbetrieb im Prüfstand, also Off-Line, die
daraus resultierenden Zielgrößen zu berechnen.
Hierbei berücksichtigt
der Optimierungsrechner 53 außerdem die Belastungsgrenzen
des Verbrennungsmotors sowie die Einstellgrenzen der Aktuatoren.
Die dazu erforderliche Datenbasis 40 wird durch die Datenbank 35 zur
Verfügung
gestellt, in der die relevanten Daten gespeichert sind.
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Bei
dieser eigentlichen Optimierungsprozedur zeigt sich der große Vorteil
des erfindungsgemäßen Verfahrens
in aller Deutlichkeit, denn während für jede Stellgrößen-Kombination
bei einer herkömmlichen
On-Line-Optimierung mit einem reellen Motorbetrieb im Prüfstand stets
ein stationärer
Motorbetrieb abgewartet werden muß, was ca. 6 bis 8 Minuten
beansprucht, um die Zielgrößen zuverlässig messen
zu können,
benötigt
der virtuelle Motor des kalibrierten Motormodells 39 dafür bei den
heutigen Rechnern nur etwa 5 Sekunden. Bei einer fortschreitenden Rechnerentwicklung
läßt sich
diese Rechenzeit außerdem
weiter verkürzen,
während
die Zeitdauer für die Einstellung
eines stationären
Motorbetriebes unverändert
hoch bleibt.
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Wenn
nach dem Programmablauf des Optimierungsrechners 53 für alle Betriebspunkte
die optimalen Stellgrößen-Kombinationen
vorliegen, ist die eigentliche Motoroptimierung im wesentlichen
abgeschlossen.
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Der
Verbrennungsmotor soll jedoch regelmäßig mit einem Steuergerät ausgestattet
werden, dem sogenannten „Seriensteuergerät", bei dem interne Verknüpfungen
Wechselwirkungen zwischen den Stellgrößen hervorrufen, so daß eine weitere
Prozedur erforderlich ist, um dieses Seriensteuergerät an die
optimierten Stellgrößen anzupassen.
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Ein übliches
Seriensteuergerät
ist intern zweiteilig strukturiert und besitzt einen Datenrahmen mit
den Kennfeldern sowie einen Funktionsrahmen, der aus den im Datenrahmen
abgelegten Stellgrößen die
Stellsignale für
die Aktuatoren in Echtzeit berechnet und über entsprechende Endstufen
des Seriensteuergerätes
die Aktuatoren damit ansteuert. Die Bedatung des Seriensteuergerätes, z.B.
durch einen Applikateur, betrifft nur den Datenrahmen; der Funktionsrahmen
ist dem Applikateur nicht zugänglich. Änderungen
im Funktionsrahmen können
regelmäßig nur
durch den Steuergerätelieferanten
durchgeführt
werden.
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Um
dem Applikateur die Bedatung des Datenrahmens zu ermöglichen
und um die notwendigen Berechnungen in Echtzeit durchführen zu
können,
ist der Datenrahmen üblicherweise
so strukturiert, daß maximal
zweidimensionale Kennfelder existieren, z.B. Raildruck als Funktion
von Drehzahl und Last. Höher
dimensionale Zusammenhänge,
z.B. Raildruck als Funktion von Drehzahl, Last und Ladedruck werden
in Form von 2-dimensionalen
Kennfeldern, 1-dimensionalen Kennlinien und O-dimensionalen Korrekturwerten dargestellt.
Dies wird damit begründet,
daß höherdimensionale
Zusammenhänge
komplex sind und von einem Applikateur nicht mehr manuell bearbeitet
werden können.
Die funktionalen Zusammenhänge
sind in der Regel in Form diskreter Stützstellen dargestellt, d.h.
im Datenrahmen existieren regelmäßig keine
mathematischen Funktionen, z.B. Polynome, deren Koeffizienten zu
bedaten wären.
Die Bedatung richtet sich damit zwangsläufig nach diesen Stützstellen.
Diese Stützstellen
können manuell
bearbeitet werden, da sie im Unterschied zu abstrakten Koeffizienten
relativ anschaulich sind. Außerdem
ermöglichen
Stützstellen
eine einfache, sichere und schnelle Berechenbarkeit, da zwischen den
Stützstellen üblicherweise
nur linear interpoliert wird. Darüber hinaus werden im Datenrahmen
als unabhängige
Variablen sogenannte „pseudophysikalische" Größen verwendet
bzw. berechnet, um auch hier wieder Größen zur Verfügung zu
stellen, die dem motorischen Verständnis des Applikateurs entsprechen.
Beispielsweise sind die Drehzahl und die Last derartige unabhängige Variablen.
Die Verwendung dieser pseudophysikalischen Größen ermöglicht außerdem einen stufenweisen Aufbau
der Bedatung des Seriensteuergerätes,
wobei zunächst
diejenigen Kennfelder und Kennlinien bedatet werden, die zu den
pseudophysikalischen Größen führen, und
erst anschließend
die eigentliche Optimierungsbedatung durchgeführt wird.
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Zusammenfassend
heißt
dies, daß herkömmliche
Seriensteuergeräte
hinsichtlich ihrer Struktur für
eine manuelle Bedatung ausgelegt sind. Hierbei wird in Kauf genommen,
daß durch
diese Struktur eine systematische Verstellung einzelner Einstellgrößen nicht
oder nur mit großem
Aufwand möglich
ist, da die scheinbar unabhängigen
Variablen selbst wieder abhängige
Variablen einer vorhergehenden Bedatung bzw. Berechnung sind. Um
auch hier grundsätzlich
die Möglichkeit
einer manuellen Nachbearbeitung durch einen Applikateur offen zu halten,
wird derzeit an dieser Struktur der Seriensteuergeräte festgehalten.
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Entsprechend 3 ist
zum Abgleich der aufgefundenen optimalen Stellgrößen-Kombinationen an das Seriensteuergerät eine Adaptionseinheit 41 vorgesehen,
die vom Optimierungsrechner 53 einerseits für jeden
Betriebspunkt die zugehörige
optimierte Stellgrößen-Kombination 42 und
andererseits die zu diesem Betriebspunkt zugehörige Sensorsignal-Kombination 43 erhält.
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Die Übertragung
der Stellgrößen-Kombination 42 ist
in 3 durch einen Pfeil symbolisiert, während ein
anderer Pfeil die Übertragung
der zugehörigen
Sensorgrößen-Kombination 43 symbolisiert.
Die Adaptionseinheit 41 führt die einem bestimmten Betriebspunkt 46 zugeordnete
Sensorsignal-Kombination 43 einer
Steuerungseinheit 44 zu, wobei die jeweiligen Betriebspunkte 46 hier
durch ein mit einem Verbindungspfeil 45 verknüpftes Rechteck
symbolisiert sind. Die Steuerungseinheit 44 enthält das Seriensteuergerät 47 sowie
einen für
die Bedatung erforderlichen Applikationsrechner 48. Das
Seriensteuergerät
enthält
Kennfelder, in deren Abhängigkeit
jedem eingehenden Betriebspunkt 46 eine Stellgrößen-Kombination 49 zugeordnet
wird, die das Seriensteuergerät 47 über eine
entsprechende Verbindung der Adaptionseinheit 41 übermittelt.
Diese Verbindung ist hier durch einen Verbindungspfeil 50 symbolisiert,
der mit einem Rechtecksymbol verbunden ist, das diejenige Stellgrößen-Kombination 49 repräsentiert,
die das Seriensteuergerät 47 als
Reaktion auf den zugeführten
Betriebspunkt 46 liefert.
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Die
Adaptionseinheit 41 verändert
dann für jeden
Betriebspunkt 46 die Kennfelder des Datenrahmens des Seriensteuergerätes 47 systematisch
solange, bis die von Seriensteuergerät 47 übermittelte Stellgrößen-Kombination 49 mit
der vom Motormodell für
diesen Betriebspunkt 46 berechneten optimalen Stellgrößen-Kombination 42 übereinstimmt.
Die Beeinflussung der Kennfelder des Seriensteuergerätes 47 durch
die Adaptionseinheit 41 ist in 3 durch
eine Doppelpfeilverbindung 51 symbolisiert. Die veränderten
und angepaßten
Kennfelder 52 werden hierbei durch ein mit dem Verbindungspfeil 51 gekoppeltes
Rechteck symbolisiert. Die Adaptionseinheit 41 arbeitet
dabei progammgesteuert, also automatisch, wobei die Veränderung
der Kennfelder 52 über
eine entsprechende Ansteuerung des Adaptionsrechners 48 erfolgt.
Die Adaption des Seriensteuergerätes 47 erfolgt
hierbei in einer sogenannten „Hardware-in-the-Loop-Umgebung" oder kurz „HIL-Umgebung" , bei der die Hardware,
also das Seriensteuergerät 47,
direkt in die Programm-Prozedur der Adaptionseinheit 41 eingebunden
ist.
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Wenn
für jeden
einzelnen Betriebspunkt die Kennfelder des Seriensteuergerätes 47 an
die berechneten optimalen Stellgrößen angepaßt sind, ist die Bedatung des
Seriensteuergerätes 47 im
Sinne einer lokalen Optimierung beendet.
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Unter
einer „lokalen
Optimierung" wird
hierbei die Suche nach der optimalen Stellgrößen-Kombination für jeden
einzelnen Betriebspunkt verstanden.
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Hiervon
wird die sogenannte „globale
Optimierung" unterschieden,
bei der zunächst
für einen vorbestimmten
Testzyklus, z.B. ECE-Test oder FTP75-Test, Ersatzbetriebspunkte
aus den von diesem Testzyklus betroffenen Betriebspunkten berechnet
werden. Die Ersatzbetriebspunkte sind im Unterschied zu den Betriebspunkten,
aus denen sie hervorgehen, bezüglich
eines vorbestimmten Parameters gewichtet. Vorzugsweise sind die
Ersatzbetriebspunkte entsprechend ihres Zeitanteils im Testzyklus gewichtet.
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Die
globale Optimierung hat zum Ziel, entsprechend den vorgegebenen
Zielgrößen, z.B.
minimaler Kraftstoffverbrauch und minimales Verbrennungsgeräusch bei
Einhaltung vorgeschriebener Grenzwerte für die Abgasemissionen und bei
Einhaltung vorgegebener Belastungsgrenzen, den Motorbetrieb über alle
Ersatzbetriebspunkte zu Optimieren. Im wesentlichen bedeutet dies,
daß global
definierte Grenzwerte, z.B. der gesamte NOx-Ausstoß über alle
Ersatzbetriebspunkte, also über
den gesamten Testzyklus, dazu benutzt werden können, daß Ergebnis der lokalen Optimierung
zu verbessern. Hierbei ist es durchaus möglich, daß der globale Grenzwert bei
einzelnen Betriebspunkten, das heißt lokal, überschritten wird, um z.B.
einen besseren Kraftstoffverbrauch zu erzielen, solange über alle Ersatzbetriebspunkte,
das heißt über den
gesamten Testzyklus, der globale Grenzwert eingehalten wird.
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Diese
globale Optimierung wirkt sich in der Regel nur für einen
Teilbereich der Kennfelder aus. Hinsichtlich aller Ersatzbetriebspunkte
können
mit Hilfe des (lokal) kalibrierten physikalischen Motormodells die
optimalen Stellgrößen-Kombinationen für die Ersatzbetriebspunkte
berechnet werden. Eine derartige globale Optimierung wir ddurch
das erfindungsgemäße Optimierungsverfahren
extrem vereinfacht.
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Die
vorbeschriebene Optimierung des Motorbetriebs betrifft grundsätzlich die
stationäre
Optimierung, das heißt
die Bedatung des Seriensteuergerätes
bei stationären
Motorzuständen.
Eine instationäre
Optimierung, also die Bedatung von Korrekturfunktionen, die während instationärer Motorbetriebszustände, wie
z.B. Beschleunigung, Verzögerung, Startverhalten
und Warmlauf, das Motorverhalten optimieren, kann hierbei in der üblichen
weise durchgeführt
werden. Das heißt,
es wird zunächst
von einer stationären
Optimierung ausgegangen, so daß die Güte der instationären Optimierung
entscheidend von der Güte
der stationären
Optimierung abhängt. Durch
die erfindungsgemäß verbesserte
stationäre Optimierung
wird somit auch die darauf aufbauende instationäre Optimierung des Motorbetriebs
verbessert.