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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Betriebsbereichserweiterung einer Brennkraftmaschine und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
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Brennkraftmaschinen, die auch als Verbrennungskraftmaschinen bezeichnet werden, sind Wärmekraftmaschinen, die über einen Verbrennungsvorgang chemische Energie eines Kraftstoffs in mechanische Energie wandeln. Als Brennräume dienen Zylinder, in denen jeweils ein Kolben geführt ist. In Kraftfahrzeugen eingesetzte Brennkraftmaschinen werden auch als Verbrennungsmotoren bezeichnet.
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Zum Einlassen des zu zündenden Kraftstoff-Gas-Gemisches in die Zylinder werden Ventile verwendet. So werden bei Dieselmotoren Einlassventile eingesetzt, um reine Luft einzulassen. Der Kraftstoff wird durch Einspritzdüsen eingespritzt. Bei Gasmotoren wird ein zuvor verdichtetes Luft-Gas-Gemisch über Einlassventile in die Zylinder eingebracht. Zur Steuerung der Ventile ist ein Mechanismus vorgesehen, der als Ventilsteuerung oder Ventiltrieb bezeichnet wird. Durch Öffnen und Schließen der Ventile wird der Ladungswechsel des Verbrennungsmotors gesteuert. Dabei werden Ventile von einer Nockenwelle, die von einer Kurbelwelle angetrieben wird, über einen Stößel geöffnet. Als Ladungswechsel wird dabei das Austauschen des im Zylinder enthaltenen Gemisches bezeichnet.
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Für die Brennkraftmaschine können unterschiedliche Betriebsbereiche definiert werden. Es wird hierzu auf 1 verwiesen. Bei diesen ist insbesondere der nutzbare Betriebsbereich von Interesse. Zu beachten ist hierbei, dass jeder Zylinder, da unterschiedliche Verhältnisse herrschen, einen eigenen nutzbaren Betriebsbereich hat. Dieser ist unter anderem von den zugelassenen Emissionenswerten abhängig.
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Es zeigt sich, dass jeder Zylinder bei gleichen Startwerten unterschiedlich arbeitet. Es wird angestrebt, jeden Zylinder auf einem Niveau maximaler Leistung zu betreiben, wobei gleichzeitig Emissionsvorgaben eingehalten werden.
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Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Anordnung gemäß Anspruch 10 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.
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Es wird ein Verfahren zur Betriebsbereichserweiterung einer Brennkraftmaschine, die eine Anzahl von Zylindern umfasst, vorgestellt, wobei eine Regelung der Verbrennung in der Brennkraftmaschine vorgenommen wird, wobei die Regelung mit mindestens einem Regler mit regelungsrelevanten Größen durchgeführt wird, wobei regelungsrelevante Größen durch Regelparamater, die das Verhalten des mindestens einen Reglers definieren, und durch Sollwerte, die dem mindestens einen Regler als Führungsgrößen vorgegeben werden, gegeben sind, wobei mittels mindestens einer Optimierung mindestens eine regelungsrelevante Größe wenigstens eines Reglers des mindestens einen Reglers bestimmt wird.
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In einer Ausführung ist ein Regler für die Verbrennung der gesamten Brennkraftmaschine vorgesehen. Mittels eines Optimierers wird dann mindestens ein Sollwert für diesen Regler bestimmt. Alternativ oder ergänzend kann mittels eines Optimierers mindestens ein Regelparameter für diesen Regler bestimmt werden.
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In einer weiteren Ausführung ist alternativ oder ergänzend für jeden Zylinder der Brennkraftmaschine ein zylinderindividueller Regler vorgesehen, wobei mittels jeweils eines Optimierers für jeden Zylinder mindestens ein Sollwert bestimmt wird. Alternativ oder ergänzend kann dann mittels jeweils eines weiteren Optimierers für jeden Zylinder mindestens ein Regelparameter bestimmt werden.
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Im Rahmen der mindestens einen Optimierung kann eine Zielfunktion definiert werden, die in einem iterativen Verfahren gelöst wird. So kann mittels der Zielfunktion eine Leistung angenähert und als eine Nebenbedingung ein Emissionswert berücksichtigt werden. Es kann auch ein Emissionswert angenähert und als eine Nebenbedingung eine Leistung berücksichtigt werden. Zudem kann versucht werden, eine maximale Leistung bei einem begrenzten Verbrauch zu erreichen, wobei als Nebenbedingung Emissionswerte berücksichtigt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform können Abhängigkeiten der Zylinder voneinander berücksichtigt werden.
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Es wird weiterhin eine Anordnung zur Betriebsbereichserweiterung einer Brennkraftmaschine, die eine Anzahl von Zylindern umfasst, vorgestellt, wobei die Anordnung dazu eingerichtet ist, eine Regelung der Verbrennung in der Brennkraftmaschine vorzunehmen, wobei die Regelung mit mindestens einem Regler mit regelungsrelevanten Größen durchzuführen ist, wobei regelungsrelevante Größen durch Regelparamater, die das Verhalten des mindestens einen Reglers definieren, und durch Sollwerte, die dem mindestens einen Regler als Führungsgrößen vorzugeben sind, gegeben sind, wobei die Anordnung weiterhin dazu eingerichtet ist, mittels mindestens einer Optimierung mindestens eine regelungsrelevante Größe wenigstens eines Reglers des mindestens einen Reglers zu bestimmen.
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Bei dem vorgestellten Verfahren kann mindestens ein stationärer Sollwert für die Brennkraftmaschine vorgegeben werden und dieser mindestens eine stationäre Sollwert aufgespalten werden, so dass sich für jeden Zylinder mindestens ein zylinderindividueller Sollwert ergibt, der für jeden Zylinder als Führungsgröße in einen zylinderindividuellen Regler eingegeben wird.
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Der Regler wiederum gibt mindestens eine Stellgröße aus. Sind mehrere Führungsgrößen vorgesehen, werden üblicherweise auch mehrere, typischerweise eine gleiche Anzahl, Stellgrößen ausgegeben. Es kann für jeden Zylinder ein Optimierer eingesetzt werden, der in einem iterativen Verfahren, bspw. einem Gradientenverfahren, einen Wert, der gemessen werden kann, optimiert.
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Auf diese Weise ist es möglich, durch die zylinderindividuellen Regler eine Optimierung für jeden einzelnen Zylinder durchzuführen. Dies führt zu einer Betriebsbereichserweiterung, da der gesamte Betrieb nicht mehr von dem ”schwächsten” Zylinder abhängig ist.
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Als stationärer Sollwert kann eine Drehzahl, ein Emissionswert und/oder eine Leistung vorgegeben werden. Üblicherweise wird im Rahmen der Optimierung versucht, sich einem dieser stationären Werte anzunähern, wobei gleichzeitig zumindest einer der weiteren stationären Sollwerte im Rahmen einer Nebenbedingung berücksichtigt wird.
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Insbesondere kann das Verfahren eingesetzt werden, um die einzelnen Zylinder zu beurteilen. Auf diese Weise kann auch der Zylinder identifiziert werden, der am schlechtesten funktioniert.
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Dies kann ggf. zu einer Wartung des Zylinders führen. In jedem Fall kann bei dem weiteren Betrieb diese Information verwendet werden.
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Das Verfahren kann in einer Gas-Brennkraftmaschine oder einer Diesel-Brennkraftmaschine eingesetzt werden.
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Weiterhin kann das Verfahren bei einer Brennkraftmaschine mit einem variablen Ventiltrieb eingesetzt werden. Ein variabler Ventiltrieb bzw. eine variable Ventilsteuerung ermöglicht eine variable Öffnungszeit und Schließzeit und somit einen variablen Ventilhub und eine variable Spreizung und reduziert durch die Beeinflussung der Ladungswechselarbeit, der Gemischaufbereitung und der Verbrennung den Kraftstoffverbrauch. Mit einem solchen variablen Ventiltrieb kann die Last des Motors eingestellt werden.
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Es wird somit ein Optimierungsprozess vorgestellt, bei dem ggf. zylinderindividuell Vorgaben bspw. zu Luftmasse, Kraftstoffmasse und Zündzeitpunkt gemacht werden können. Für jeden einzelnen Zylinder kann ein Optimum erreicht werden. Es können gemäß dem Verfahren die einzelnen Zylinder beurteilt werden, um bspw. den Zylinder, der am schlechtesten arbeitet, zu identifizieren. Dies kann bspw. mittels Modellbildung erfolgen.
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Bei dem Verfahren werden in Ausgestaltung statische Sollwerte vorgegeben, die aufgespalten werden, so dass für jeden Zylinder Sollwerte ermittelt werden können. So kann jeder Zylinder in einen ”Wohlfühlbereich” verschoben werden. Dabei können auch Abhängigkeiten der Zylinder untereinander bzw. voneinander berücksichtigt werden.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung der Ausführungsformen und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die voranstehend 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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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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1 zeigt in einem Graphen unterschiedliche Betriebsbereiche.
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2 zeigt in schematischer Darstellung einen Ablauf einer Ausführung des beschriebenen Verfahrens.
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3 zeigt weitere mögliche Verfahrensabläufe.
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In 1 sind in einem Graphen unterschiedliche Betriebsbereiche verdeutlicht. Dabei ist an einer Abszisse 10 ein Luftverhältnis und an einer Ordinate 12 ein effektiver Mitteldruck aufgetragen. Eine Kurve 14 zeigt den λ-Verlauf. Eine erste gestrichelte Linie 16 verdeutlicht das mechanische Limit, eine zweite gestrichelte Linie 18 zeigt ein Luftverhältnis mit λ gleich 1.
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Als Betriebsbereiche sind ein Klopfbereich 20, ein Fehlzündungsbereich 22 und ein nutzbarer Betriebsbereich 24 eingetragen. Weiterhin ist ein Wunschbetriebspunkt 26 eingezeichnet. Der nutzbare Betriebsbereich 24 ist auf der rechten Seite noch einmal vergrößert dargestellt. Wiederum ist der Wunschbetriebspunkt 26 dargestellt. Punkte 30, 32, 34 zeigen bestimmte Zylinderdrücke, die, wie Pfeilen 36, 38 und 40 verdeutlicht, in Richtung des Wunschbetriebspunkts 26 geführt werden sollen.
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Der nutzbare Betriebsbereich 24 ist durch diverse Einstellungen zum Vermeiden von Klopfen, Fehlzündungen und Anpassung an den schwächsten Zylinder eingeschränkt. Um den Vorgaben hinsichtlich Emissionen, Wirkungsgrad und Leistung zu entsprechen, sollen nunmehr die relevanten Regelgrößen in der Brennkraftmaschine optimiert werden. Es sollen somit Betriebsgrenzen erweitert werden, d. h. dass der nutzbare Betriebsbereich 24 erweitert werden soll. Dabei ist zu berücksichtigen, dass dieser nutzbare Betriebsbereich 24 für jeden Zylinder unterschiedlich ist.
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2 verdeutlicht in schematischer Darstellung einen möglichen Ablauf des Verfahrens. Dabei werden stationäre Sollwerte 100, wie bspw. eine Drehzahl und eine Leistung, der gesamten Brennkraftmaschine vorgegeben. Diese werden in einer Einheit 102 aufgespalten, so dass sich zylinderindividuelle Sollgrößen und damit Führungsgrößen 104, wie bspw. die Gasmasse, die Füllung und die Verbrennung, ergeben. Diese sind Eingangsgrößen eines zylinderindividuellen Reglers 108.
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Die zylinderindividuellen Führungsgrößen 104 werden somit in den zylinderindividuellen Regler 108 eingegeben. Als Regler 108 kommt bspw. ein PI-Regler in Betracht. Dieser Regler 108 berechnet Stellgrößen 120, wie bspw. eine Gasmischung, einen Ventilhub, einen Schließwinkel und einen Zündzeitpunkt. Diese werden einem Zylinder 122 einer Brennkraftmaschine vorgegeben. Es können dann Messdaten 124, wie bspw. Emissionen, Wirkungsgrad und Leistung, gemessen werden.
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Diese Messdaten 124 werden in einen Optimierer 126 eingegeben. Es ist pro Zylinder ein Optimierer 126 vorgesehen. Dieser Optimierer 126 führt für den zugeordneten Zylinder 122 eine Optimierung hinsichtlich Emissionen, Wirkungsgrad und/oder Leistung durch. Dabei können Werte, die mit den Messdaten in Beziehung stehen, berechnet werden.
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Die Optimierung wird für jeden Zylinder 122 gesondert durchgeführt. Anschließend ergeben sich für jeden Zylinder 122 neue Sollwerte 128 zu Gasmasse, Füllung und Verbrennung, die als neue Führungsgrößen 130 innerhalb des Regelkreises zurückgeführt werden.
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Optimierungsgrößen im Rahmen der Optimierung, d. h. zu optimierende Größen, sind Emissionen, Wirkungsgrad und Leistung. Optimierungsvariablen sind Qualität (λ), Quantität (Ladedruck) und Sicherheit hinsichtlich Klopfen und Zünden.
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Da jeder Zylinder auf die gleichen Startwerte unterschiedlich arbeitet, kommt es dazu, dass der ”schwächste” Zylinder den Betriebsbereich der gesamten Brennkraftmaschine vorgibt. Dies stellt eine starke Einschränkung dar. Die vorgestellte Optimierung wird nunmehr für jeden Zylinder 122 einzeln durchgeführt. Dabei können bei allen Zylindern 122 die gleichen Startvorgaben, bspw. zu Zündzeitpunkt, der sich auf die Emissionen auswirkt, und Schließwinkel, der sich auf die Füllung auswirkt, vorgegeben werden.
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Für jeden Zylinder
122 wird eine Zielfunktion definiert. Zielgrößen können die Leistung P und die Emissionen NO
x sein. Für die Emissionen als anzunähernde Größe bzw. Zielgröße zeigt Gleichung 1 die Zielfunktion:
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Diese Zielfunktion definiert die Optimierungsaufgabe. Dies bedeutet, dass angestrebt wird, die Emissionen NOx einer Sollvorgabe NOxref anzunähern. Dabei sind Nebenbedingungen, in diesem Fall eine angestrebte konstante Leistung, einzuhalten. Weiterhin darf es zu keinen Fehlzündungen und nicht zu einem Klopfen kommen. Wird in der Zielfunktion eine Leistung, die von dem Zylinder erbracht wird, berücksichtigt, so wird als Nebenbedingung eine Emissionsobergrenze berücksichtigt.
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Die Optimierung erfolgt üblicherweise in einem iterativen Verfahren, wobei bspw. ein Gradienten-Verfahren oder andere geeignete Verfahren eingesetzt werden können. Auf diese Weise werden für jeden Zylinder individuelle neue Sollwerte 128 ermittelt.
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Es zeigt sich, dass dadurch im Gegensatz zu bekannten Vorgehensweisen, bei denen alle Zylinder mit den gleichen Vorgabewerten betrieben werden, eine Erweiterung des Betriebsbereichs erreicht werden kann.
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3 verdeutlicht weitere mögliche Ausführungsformen des Verfahrens. Hierbei werden betriebspunktabhängige stationäre Sollwerte 200, wie bspw. eine Drehzahl und eine Leistung, der gesamten Brennkraftmaschine vorgegeben. Aus diesen werden in einer Einheit 202 Sollwerte bzw. Führungsgrößen 204, wie bspw. die Gasmasse, die Füllung und die Verbrennung, für die gesamte Brennkraftmaschine ermittelt. Diese sind Eingangsgrößen und damit Führungsgrößen 204 eines Reglers 208.
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Die Führungsgrößen 204 werden somit in den Regler 208 eingegeben, der eine Regelung der Verbrennung der gesamten Brennkraftmaschine vornimmt. Als Regler 208 kommt bspw. ein PI-Regler in Betracht. Dieser Regler 208 berechnet Stellgrößen 210, wie bspw. eine Gasmischung, einen Ventilhub, einen Schließwinkel und einen Zündzeitpunkt. Diese werden einem zylinderindividuellen Regler 212 vorgegeben, der zylinderindividuelle Stellgrößen 214, bspw. Ventilsteuerzeit und Zündzeitpunkt, ermittelt.
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Diesem zylinderindividuellen Regler 212 werden Führungsgrößen vorgegeben und dieser berechnet unter Berücksichtigung der Stellgrößen 210 aus dem Regler 208 die zylinderindividuellen Stellgrößen 214. Die Stellgrößen 210 werden auf diese Weise ”verfeinert”, d. h. dem einzelnen Zylinder individuell angepasst.
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Mit diesen wird die Brennkraftmaschine 216 betrieben und es werden Messdaten 218, wie bspw. Emissionen, Wirkungsgrad, Leistung und Verbrauch, ermittelt.
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Auf Grundlage dieser Messdaten 218 können nunmehr unterschiedliche Optimierungen vorgenommen werden:
Bei einer ersten Optimierung 230 werden die Sollwerte, die als Führungsgrößen 204 vorgegeben werden, optimiert. Dabei werden Startwerte p0 232 vorgegeben. Diese werden in das System 234 Brennkraftmaschine eingegeben. Das System 234 Brennkraftmaschine kann ein Modell der Brennkraftmaschine sein. In diesem Fall erfolgt die Optimierung bspw. an einem PC. Alternativ kann das System 234 auch die eigentliche Brennkraftmaschine sein. Dann erfolgt die Optimierung bspw. an einem Prüfstand. Bei der Durchführung am Prüfstand sind Streuungen der einzelnen Zylinder besser sichtbar, da diese in einem Modell ggf. nicht genau abgebildet sind.
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Sollwerte beziehen sich bspw. auf die Gasmasse, die Füllung usw. und sind betriebspunktabhängig, wobei der Betriebspunkt durch die Leistung und/oder die Drehzahl festgelegt ist. Hieraus ergeben sich Zielgrößen 236, die in eine Zielfunktion 238 eingegeben werden. Auf Grundlage dieser Zielfunktion 238 wird in einem iterativen Verfahren mittels Optimierungsalgorithmen 240, bspw. in einem Gradientenverfahren, versucht, eine Minimierung vorzunehmen oder alternativ ein Maximum zu suchen. Bspw. wird versucht, eine maximale Leistung bei minimalen Emissionen zu erreichen. Alternativ kann versucht werden, eine maximale Leistung bei minimalem Verbrauch zu erzielen, wobei Emissionen unter einem Maximalwert gehalten werden sollen. Es ergibt sich ein neuer Parametersatz 242, der in das System 234 eingegeben wird. Nach Abschluss der Optimierung werden neue Sollwerte 244 vorgegeben.
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Bei einer alternativen oder ergänzenden zweiten Optimierung 250 werden Regelparameter für den Regler 208 vorgegeben. Entsprechend der Optimierung 230 werden Startwerte p0 252 in ein System 254 eingegeben, daraus Zielgrößen 256 ermittelt, die in eine Zielfunktion 258 eingegeben werden und daraus mittels Optimierungsalgorithmen 260 ein neuer Parametersatz 262, der in das System 254 eingegeben wird. Nach Abschluss der Optimierung 250 stehen neue Regelparameter 264 für den Regler zur Verfügung.
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Bei noch einer alternativen oder ergänzenden dritten Optimierung 270 werden Regelparameter für den zylinderindividuellen Regler 212 vorgegeben. Entsprechend der Optimierung 230 und 250 werden Startwerte p0 272 in ein System 274 eingegeben, daraus Zielgrößen 276 ermittelt, die in eine Zielfunktion 278 eingegeben werden und daraus mittels Optimierungsalgorithmen 280 ein neuer Parametersatz 282, der in das System 274 eingegeben wird. Nach Abschluss der Optimierung 270 stehen neue Regelparameter 284 für den Regler 212 zur Verfügung.
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Bei der in 3 gezeigten Ausführung erfolgt die Optimierung in drei Stufen.
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Die vorgestellte Optimierung kann grundsätzlich in mehreren Stufen, in einer Ausführung in vier Stufen, vorgenommen werden. So kann zunächst die gesamte Brennkraftmaschine betrachtet und anschließend jeder Zylinder individuell optimiert werden. In einer ersten Stufe werden die Sollwerte für die gesamte Brennkraftmaschine optimiert. Anschließend werden in einer zweiten Stufe die Regelparameter des Reglers für die gesamte Brennkraftmaschine optimiert.
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Anschließend erfolgt die zylinderindividuelle Optimierung. In dieser erfolgt in einer dritten Stufe die Optimierung der zylinderindividuellen Sollwerte und anschließend in einer vierten Stufe die Optimierung der Parameter der zylinderindividuellen Regler.
