AT522344B1 - Verfahren und Vorrichtung zur modellbasierten Optimierung einer technischen Einrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur modellbasierten Optimierung, insbesondere Kalibrierung, einer technischen Einrichtung, insbesondere einer Brennkraftmaschine. Das Verfahren weist folgende Arbeitsschritte auf: Erfassen von wenigstens einem ersten Parameter in Bezug auf die zu optimierende technische Einrichtung, welcher eine physikalische Größe charakterisiert; erstes Bestimmen wenigstens eines zweiten Parameters in Bezug auf die zu optimierende technische Einrichtung durch wenigstens ein erstes physikalisches Modell, welches wenigstens einen bekannten physikalischen Zusammenhang charakterisiert, und für welches der wenigstens eine erste Parameter ein Eingangsparameter ist; zweites Bestimmen wenigstens eines dritten Parameters durch wenigstens ein erstes empirisches Modell, welches auf Messungen an einer Mehrzahl von bereits bekannten technischen Einrichtungen derselben Gattung, insbesondere Brennkraftmaschinen, beruht und für welches zumindest der wenigstens eine zweite Parameter ein Eingangsparameter ist, wobei der wenigstens eine dritte Parameter geeignet ist, um die zu optimierende technische Einrichtung zu charakterisieren und/oder um auf dessen Grundlage eine Veränderung der zu optimierenden technischen Einrichtung vorzunehmen, insbesondere eine Steuerung der zu optimierenden technischen Einrichtung einzustellen; und Ausgeben des wenigstens einen dritten Parameters.

Description

Beschreibung

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR MODELLBASIERTEN OPTIMIERUNG EINER TECHNISCHEN EINRICHTUNG

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur modellbasierten Optimierung einer technischen Einrichtung, insbesondere einer Brennkraftmaschine.

[0002] Um zukünftigen Gesetzgebungen sowie dem Spannungsfeld zwischen Kraftstoffverbrauch und Emissionen gerecht zu werden, werden Verbrennungsmotoren mit all ihren Komponenten im Allgemeinen als Gesamtsystem optimiert.

[0003] Für eine effiziente Motorentwicklung ist dabei die Kenntnis des transienten Motorverhaltens hinsichtlich Verbrauch und Emissionen in einer sehr frühen Phase der Entwicklung von groBer Bedeutung, was unter anderem durch den Einsatz von Simulationswerkzeugen möglich gemacht werden soll.

[0004] Eine zunehmende Anzahl von Stellgrößen und verschärfte gesetzliche Emissions- und Diagnoseanforderungen vergrößern den Aufwand der Motorenentwicklung und -Kalibrierung erheblich. Gleichzeitig sollen Entwicklungszeiten jedoch reduziert werden, um immer schnellere Produktzyklen zu ermöglichen.

[0005] Um den steigenden Entwicklungs- und Kalibrieraufwand in der Motorenentwicklung mit vernünftigem Aufwand zu bewältigen, sind modellbasierte Entwicklungsmethoden ein wichtiger Bestandteil des Kalibrierprozesses geworden. Um solche modellbasierten Entwicklungsmethoden auch effizient im Motorentwicklungsprozess anwenden zu können, müssen die Methoden in der Lage sein, transiente Vorgänge des Verbrennungsmotors in Echtzeit zu berechnen.

[0006] Eine zielgerichtete, modellbasierte Gesamtsystemoptimierung setzt die Möglichkeit des instationären bzw. transienten Motormodellbetriebs voraus. Auf diese Weise können Konzepte mithilfe effizienter und schneller Motormodelle kostengünstig und in kurzer Zeit untersucht, bewertet und gegebenenfalls optimiert werden.

[0007] Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Ansätze zur modellbasierten Optimierung von technischen Einrichtungen bekannt. Insbesondere im Bereich der Optimierung bei der Entwicklung oder Kalibrierung von Verbrennungskraftmaschinen kommen hierbei Verfahren wie folgt zur Anwendung:

[0008] Die EP 1 150 186 A1 betrifft ein Verfahren zur automatischen Optimierung einer Ausgangsgröße eines von mehreren Eingangsgrößen abhängigen Systems, beispielsweise einer Brennkraftmaschine, unter Einhaltung von Nebenbedingungen, wobei ein theoretischer Wert für die Ausgangsgröße und die Nebenbedingungen anhand einer Modellfunktion mit den Eingangsgrößen als Variablen bestimmt werden und dabei in aufeinanderfolgenden Einzelschritten jeweils eine der Eingangsgrößen innerhalb eines Variationsraums verändert wird. Den jeweiligen Eingangsgrößen entsprechende Werte für Ausgangsgrößen und Nebenbedingungen werden direkt am System ermittelt und zur Korrektur der Modellfunktionen herangezogen, bis die Modellfunktionen die Nebenbedingungen erfüllen und Optimalwerte für die Ausgangsgröße erreicht.

[0009] Die WO 2013/131836 A2 betrifft ein Verfahren zur Optimierung von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere zur Emissions- und Verbrauchsoptimierung, bei welchen über Korrekturfunktionen in ihren Steuergeräten in jedem durch die Parameter Temperatur, Last- und Drehzahl gegebenen Betriebspunkt zumindest eine der Nebeneinflussgrößen derart eingestellt wird, dass in unterschiedlichen Last-Drehzahlbereichen und in unterschiedlichen Temperaturbereichen die Emissionsgrenzwerte eingehalten werden. Bei einem ersten Schritt wird ein Versuchsband für die Betriebspunkte und Nebeneinflussgrößen unter Verwendung mathematischer Modelle der Steuergerätefunktion und der Verbrennungskraftmaschine in Bezug auf die zu optimierende Größe erstellt und am Prüfstand abgefahren, in einem zweiten Schritt aus den dabei am Prüfstand gemessenen Daten ein Modell für jede zu optimierende Größe erstellt und in einem dritten Schritt werden, basierend auf diesem erstellten Modell, die optimalen Werte der Neben-

einflussgrößen unter Einhaltung der Emissionsgrenzwerte bestimmt und diese Werte zur Erstbedatung der Korrekturfunktionen vom Steuergerät herangezogen.

[0010] Die EP 1 703 110 A1 betrifft ein Verfahren zur Optimierung der Kalibrierung von Verbrennungsmotoren unter Berücksichtigung dynamischer Zustandsänderungen des Motors und unter Verwendung eines neuronalen Netzwerks, wobei der Kalibrierungstest von einer Startbedingung startet und zur Kalibrierung definierte Veränderungen der Parameter eingestellt werden.

[0011] Die DE 10 2011 013 481 A1 betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors und einer internen Abgasrückführung. Die interne Abgasrückführung ist über eine variable Ventilsteuerung von Ventilen des Verbrennungsmotors einstellbar. Bei dem Verfahren wird eine Gesamtgasmasse und ein Sauerstoffgehalt in einen Brennraum des Verbrennungsmotors bestimmt. Ferner wird für einen vorgegebenen Betriebspunkt des Verbrennungsmotors eine SollGesamtgasmasse und ein Soll-Sauerstoffgehalt in dem Brennraum bestimmt. In Abhängigkeit von der Gesamtgasmasse, dem Sauerstoffgehalt und der Soll-Gesamtgasmasse und dem SollSauerstoffgehalt wird ein Stellglied des Verbrennungsmotors eingestellt.

[0012] Die US 2014/0326213 A1 betrifft eine Steuerungseinrichtung, die einem vorhergesagten Wert eines Turboladedrucks auf der Grundlage eines vorhergesagten Werts eines Drosselklappenöffnungsgrads vorhersagt, wobei ein physikalisches Modell der turboaufgeladenen Maschine benutzt wird. Die Steuerungseinrichtung berechnet auch eine Korrekturmenge. Hierzu wird ein Messwert des Turboladedrucks durch einen Turboladedrucksensor erfasst und ein geschätzter Wert des Turboladedrucks wird auf der Grundlage eines Messwerts eines Drosselklappenöffnungsgrads berechnet, wobei ein physikalisches Modell der turbogeladenen Maschine eingesetzt wird. Ein Unterschied zwischen dem Messwert und dem geschätzten Wert des Turboladedrucks wird berechnet und der Unterschied wird als Korrekturmenge für den vorhergesagten Wert des Turboladedrucks herangezogen. Auf der Grundlage des korrigierten vorhergesagten Werts des Turboladedrucks und eines vorhergesagten Werts des Grads der Drosselklappenöffnung berechnet die Steuerungseinrichtung einen vorhergesagten Wert der Menge an Zylinderansaugluft.

[0013] Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur modellbasierten Optimierung einer technischen Einrichtung, insbesondere einer Brennkraftmaschine, bereitzustellen, welche es ermöglichen, weitere Entwicklungsaufgaben der Einrichtung von einem realen auf einen virtuellen Prüfstand zu verlagern. In Bezug auf Verbrennungskraftmaschinen ist es hierbei eine weitere Aufgabe, die Leistungs- und Emissionskalibrierung, aber vorzugsweise auch eine Applikation unter Nicht-Standard- Umgebungsbedingungen auf dem virtuellen Prüfstand vorzunehmen. Eine weitere Aufgabe besteht vorzugsweise darin, eine echtzeitfähige Gesamtsystemsimulation der technischen Einrichtung zu ermöglichen.

[0014] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren eine Vorrichtung gemäß der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen werden in den Unteransprüchen beansprucht. Der Wortlaut der Ansprüche wird durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.

[0015] Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur modellbasierten Optimierung, insbesondere Kalibrierung einer technischen Einrichtung, insbesondere einer Brennkraftmaschine, weist vorzugsweise folgende Arbeitsschritte auf: Erfassen von wenigstens einem ersten Parameter in Bezug auf die zu optimierende technische Einrichtung, welche geeignet ist, eine physikalische Größe zu charakterisieren; erstes Bestimmen wenigstens eines zweiten Parameters in Bezug auf die zu optimierende technische Einrichtung durch wenigstens ein erstes physikalisches Modell, welches geeignet ist, wenigstens einen bekannten physikalischen Zusammenhang zu charakterisieren, und für welches der wenigstens eine erste Parameter ein Eingangsparameter ist; zweites Bestimmen wenigstens eines dritten Parameters in Bezug auf die zu optimierende technische Einrichtung durch wenigstens ein erstes empirisches Modell, welches auf Messungen an einer Mehrzahl von bereits bekannten technischen Einrichtungen derselben Gattung, insbesondere Brennkraftmaschinen, beruht und für welches zumindest der wenigstens eine zweite Parameter ein Eingangsparameter ist, wobei der wenigstens eine dritte Parameter geeignet ist, um die zu optimierende technische Einrichtung zu charakterisieren und/oder auf dessen Grundlage eine Verände-

rung der zu optimierenden technischen Einrichtung vorzunehmen, insbesondere deren Steuerung einzustellen; und Ausgeben des wenigstens einen dritten Parameters.

[0016] Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren zur modellbasierten Optimierung, insbesondere Kalibrierung, einer technischen Einrichtung, insbesondere einer Brennkraftmaschine, wird ein Gesamtsystem der zu optimierenden technischen Einrichtung mit wenigstens einem ersten physikalischen Modell, welches wenigstens einen bekannten physikalischen Zusammenhang charakterisiert, und wenigstens einem empirischen Modell, welches auf Messungen an einer Mehrzahl von bereits bekannten technischen Einrichtungen derselben Gattung, insbesondere Brennkraftmaschinen, beruht, simuliert. Das wenigstens eine physikalische Modelle und/oder das wenigstens eine empirische Modell hängt vorzugsweise zusätzlich von einem maschinenspezifischen Einstellbarameter ab, um das jeweilige Modell an die zu optimierende technische Einrichtung anzupassen. In einer ersten Phase des Verfahrens wird wenigstens ein Messpunkt im Betrieb der zu optimierenden technischen Einrichtung gemessen und der maschinenspezifische Einstellbarameter auf der Grundlage des wenigstens einen Messpunkts bestimmt, indem gemessene Werte mit anhand der Modelle berechneten Werten des Messpunkts verglichen werden. In einer zweiten Phase des Verfahrens werden keine Messungen im Betrieb der zu optimierenden technischen Einrichtung mehr vorgenommen und das Gesamtsystem der zu optimierenden technischen Einrichtung wird mittels des wenigstens einen physikalischen Modells und des wenigstens einen empirischen Modell simuliert, wobei ein mittels des wenigstens einen physikalischen Modells bestimmter zweiter Parameter als Eingangsparameter in das wenigstens eine empirische Modell eingeht.

[0017] Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur modellbasierten Kalibrierung einer technischen Einrichtung, insbesondere einer Brennkraftmaschine, weist vorzugsweise eine Messeinrichtung zum Erfassen von wenigstens einem ersten Parameter in Bezug auf die zu kalibrierende technische Einrichtung auf, welche geeignet ist, eine physikalische Größe zu charakterisieren. Vorzugsweise weist die Vorrichtung des Weiteren eine Speichereinrichtung auf, in welcher wenigstens ein erstes physikalisches Modell eines bekannten physikalischen Zusammenhangs und wenigstens ein erstes empirisches Modell, welches auf Messungen an einer Mehrzahl von bereits bekannten technischen Einrichtungen derselben Gattung, insbesondere Verbrennungskraftmaschinen, beruht, hinterlegt sind. Des Weiteren weist die Vorrichtung vorzugsweise eine erste Zuordnungseinrichtung auf, um den ersten Parameter auf der Grundlage des wenigstens einen ersten physikalischen Modells einem zweiten Parameter zuzuordnen, und eine zweite Zuordnungseinrichtung, um wenigstens dem zweiten Parameter auf der Grundlage des wenigstens einen ersten empirischen Modells einen dritten Parameter zuzuordnen. Zusätzlich weist die Vorrichtung vorzugsweise eine Schnittstelle zum Ausgeben des wenigstens einen dritten Parameters aus, wobei der dritte Parameter geeignet ist, um die zu kalibrierende technische Einrichtung zu charakterisieren und/oder um auf dessen Grundlage Veränderungen an der zu optimierenden technischen Einrichtung vorzunehmen, insbesondere deren Steuerung einzustellen.

[0018] Erfassen im Sinne der Erfindung ist ein Einlesen von Parameterwerten, insbesondere durch automatische oder manuelle Eingabe und/oder ein Ausführen von Messungen zum Ermitteln eines Parameters.

[0019] Eine physikalische Größe im Sinne der Erfindung ist eine quantitativ bestimmbare Eigenschaft eines physikalischen Objekts, Vorgangs oder Zustands. Er wird vorzugsweise als Produkt aus einem Zahlenwert (der Maßzahl) und einer Maßeinheit angegeben. Vektorgrößen werden durch einen Größenwert und Richtung angegeben. Vorzugsweise sind die Maßeinheiten nach dem SI-Standard definiert.

[0020] Bestimmen im Sinne der Erfindung ist ein Zuordnen eines Ausgangsparameters zu einem Eingangsparameter, insbesondere auf der Grundlage einer Funktion, Funktionstabelle oder sonstigen Zuordnungsvorschrift.

[0021] Ein physikalisches Modell im Sinne der Erfindung gibt einen bekannten physikalischen Zusammenhang wieder, welcher insbesondere auf physikalischen Grundfunktionen aufgebaut ist. Vorzugsweise sind physikalische Modelle wenigstens für die Gattung von technischen Ein-

richtungen, von welchem eine technische Einrichtung optimiert werden soll, insbesondere jedoch für alle technischen Einrichtungen, allgemeingültig. Ein physikalisches Modell kann hierbei aus einer physikalischen Formel oder auch aus mehreren physikalischen Formeln bzw. physikalischen Zusammenhängen bestehen.

[0022] Ein empirisches Modell im Sinne der Erfindung wird auf der Grundlage von gemessenen Werten an einer Mehrzahl von bereits bekannten technischen Einrichtungen in seiner Logik aufgebaut. Vorzugsweise werden dabei Verfahren der Ausgleichsrechnung, insbesondere Regressionsmodelle, herangezogen.

[0023] Eine Mehrzahl im Sinne der Erfindung sind wenigstens zwei.

[0024] Ausgeben im Sinne der Erfindung ist ein Darstellen für einen Benutzer oder ein Bereitstellen wenigstens eines Werts an einen weiteren Arbeitsschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens. Vorzugsweise wird ein Parameterwert beim Ausgeben innerhalb des modellbasierten Optimierungsverfahrens weiter verwendet.

[0025] Eine Gattung im Sinne der Erfindung bezeichnet eine Zuordnung einer technischen Einrichtung zu einer Gruppe von technischen Einrichtungen. Als Gattungen kommen insbesondere die Antriebsmaschinen, Verbrennungskraftmaschinen, Otto-Motoren, Dieselmotoren, etc. oder jede andere Gruppierung auf der Grundlage technischer Gemeinsamkeiten von technischen Einrichtungen in Frage.

[0026] Die Erfindung beruht insbesondere auf dem Ansatz, bei einer modellbasierten Optimierung einzelne Modelle als Untermodelle untereinander zu koppeln, so dass eine echtzeitfähige Optimierung der technischen Einrichtung, beispielsweise der Verbrennung einer Verbrennungskraftmaschine, möglich ist. Um möglichst genaue Aussagen über das Verhalten der technischen Einrichtung treffen zu können, werden empirische Modelle, soweit möglich, durch physikalische Modelle, welche einen allgemeingültigen physikalischen Zusammenhang wiedergeben, ersetzt. Die Berechnungen erfolgen dabei vorzugsweise nicht kurbelwellenwinkel-aufgelöst, d.h. erfindungsgemäß werden nicht über den gesamten Zyklus einer Kurbelwellenumdrehung Werte in zyklischen Abständen des Kurbelwellenwinkels berechnet. Vorzugsweise werden im Gegensatz hierzu lediglich die Werte in bestimmten Kurbelwinkelpositionen insbesondere im Verbrennungsschwerpunkt (MFB 50%), dem Einspritzzeitpunkt und/oder dem Zündzeitpunkt, berechnet. Durch den Einsatz einer Vielzahl von allgemeingültigen physikalischen Untermodellen kann die Anzahl an empirischen Untermodellen wesentlich reduziert werden. Hierdurch können die Eingangsparameter in die empirischen Untermodelle so gewählt werden, dass eine Vielzahl von Motoren mit ein und demselben Satz an Eingangsparametern abgebildet werden können. Die Anpassungen der einzelnen empirischen Untermodelle an die jeweilige zu optimierende technische Einrichtung kann dann über Einstellbarameter erfolgen.

[0027] Der Einstellparameter geht hierbei vorzugsweise als zusätzlicher Eingangsparameter in das entsprechende Modell ein. Besonders bevorzugt ist der maschinenspezifische Einstellparameter ein Eingangsparameter in das empirische Modell. Als Eingangsparameter weist der maschinenspezifische Einstellbarameter vorzugsweise in einem polynomischen Modellansatz einen Koeffizienten auf, wie allen anderen Terme des Polynoms auch. Der Einstellbarameter eines Modells ist vorzugsweise über den Betriebsbereich einer einzelnen technischen Einrichtung konstant, ändert sich jedoch je nach technischer Einrichtung. Im Gegensatz hierfür sind die Koeffizienten des Modells vorzugsweise für den gesamten Betriebsbereich einer technischen Einrichtung, aber auch für alle anderen technischen Einrichtungen konstant. Da ein Einstellbarameter keine einfacher Offsetwert ist, verändert sich nicht nur die Lage der Funktionen der einzelnen Modelle, sondern auch dessen Modellgüte, insbesondere das Bestimmtheitsmaß R* in Bezug auf die Residuen kann wesentlich verbessert werden.

[0028] Die bestimmten Kurbelwinkelpositionen, an welchen die erfindungsgemäßen Parameter berechnet werden, werden kausal nacheinander in der Reihenfolge des Verbrennungsvorgangs abgearbeitet.

[0029] Bei einer Verbrennungskraftmaschine werden beispielsweise ausgehend vom Einspritz-

beginn der ersten Einspritzung und den daraus resultierenden Auswirkungen auf die darauffolgenden Einspritzungen eine abgegebene Motorleistung, Wärmeströme ins Kühlwasser und ins Abgas sowie Stickoxid-Emissionen berechnet.

[0030] Weiterhin ist es in Bezug auf Verbrennungskraftmaschinen erfindungsgemäß möglich, auch Untermodelle, die zwar nicht direkt im Zylinder während der Verbrennung wirken, aber für einen Einsatz in der Realität von großer Bedeutung sind, z.B. die Motorreibung, zu erstellen. Erfindungsgemäß können in Bezug auf eine Verbrennungskraftmaschine auch Verlustleistungen über die Zylinderwände berechnet werden, ohne die Verbrennung nach dem Kurbelwellenwinkel aufzulösen. Die Kenntnis der Verlustleistung über die Zylinderwände ist eine wesentliche Voraussetzung für die quasi-physikalische Berechnung von Motorleistung und Abgasenthalpie. In Bezug auf die Verbrennungskraftmaschine können dabei folgende Parameter wenigstens vom Modell berechnet werden: Kenngrößen der Verbrennung (Start, Schwerpunkt und Spitzendruck, Wärmestrom, Motorleistung, Gastemperatur, Stickoxidemissionen oder Rußemissionen).

[0031] Für die empirischen Modelle werden erfindungsgemäß vorzugsweise eine Vielzahl von Messungen an eine Mehrzahl von bereits bekannten technischen Einrichtungen vorgenommen und anhand der Messdaten, insbesondere mittels einer Regressionsanalyse, empirische Modelle, insbesondere polynomiale Modelle, erstellt. Die Qualität der empirischen Modelle ist dabei umso besser, je mehr bekannte technische Einrichtungen der Gattung der zu optimierenden technischen Einrichtung zur Erstellung der empirischen Modelle herangezogen werden.

[0032] Insbesondere können das erfindungsgemäße Verfahren und die entsprechende Vorrichtung zur modellbasierten Optimierung ohne das Vorhandensein von Messdaten qualitativ und auch quantitativ zutreffende Aussagen liefern.

[0033] Wird eine besonders hohe Modellqualität für eine Simulation erwünscht, kann der Wert des Einstellbarameters eines empirischen Untermodells anhand der Messung weniger Betriebspunkte oder sogar nur eines einzigen Betriebspunkts exakt bestimmt werden. Dieser Einstellparameter ist in der Folge über den gesamten Betriebsbereich der zu optimierenden technischen Einrichtung konstant. Der Einstellbarameter kann beispielsweise durch eine Messung bei Standardbedingungen auf einem Prüfstand bestimmt werden. In der Folge kann die Kalibrierung der technischen Einrichtung auf dem Prüfstand bei Standardbedingungen auf dem Prüfstand fortgesetzt werden, wohingegen die Kalibrierung bei anderen Bedingungen mit dem Modell durchgeführt wird.

[0034] In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verfahrens wird wenigstens das zweite Bestimmen des wenigstens einen dritten Parameters ausschließlich in wenigstens einem vorbestimmten Zeitpunkt, insbesondere Kurbelwellenposition, der technischen Einrichtung durchgeführt, insbesondere einem Einspritzzeitpunkt, Schließen eines Einlassventils, Zündzeitpunkt und/oder Verbrennungsschwerpunkt (MFB 50%). Indem das erfindungsgemäße Verfahren bzw. zum Ausführen des Verfahrens durchgeführte Berechnungen nicht über den gesamten Zyklus der Kurbelwelle, d.h. nicht-kurbelwellenwinkelaufgelöst, berechnet werden, kann erfindungsgemäß ohne wesentlichen Informationsverlust die Rechenzeit sowie die nötige Rechenleistung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wesentlich verringert werden.

[0035] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist dieses des Weiteren den Arbeitsschritt des Normierens des wenigstens einen ersten Parameters und/oder des wenigstens einen zweiten Parameters und/oder des wenigstens einen dritten Parameters auf, bevorzugt in Bezug auf ein Leistungspotenzial der zu optimierenden technischen Einrichtung, insbesondere in Bezug auf einen Hubraum der Brennkraftmaschine. Durch die Normierung ist es insbesondere möglich, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren allgemeingültige Zusammenhänge darzustellen, welche nicht auf eine technische Einrichtung beschränkt sind. Bei einer Verbrennungskraftmaschine werden die Parameter dabei vorzugsweise spezifisch auf den Liter Hubraum bezogen. Darauf aufbauend können, sofern nötig, folgende spezifische Messgrößen verwendet werden:

- Kraftstoffmenge in mg/Arbeitsspiel/l

- Kraftstoffenergie in W/I

- Enthalpieströme in und aus dem Zylinder in W/I

- Wandwärmestrom in W/l

- Indizierte Leistung von Hochdruck- und Niederdruckschleife in W/I.

[0036] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist dieses des Weiteren die Arbeitsschritte des dritten Bestimmens wenigstens einen vierten Parameters durch ein zweites physikalisches Modell und/oder durch ein zweites empirisches Modell auf der Grundlage des wenigstens einen dritten Parameters und/oder auf der Grundlage wenigstens eines ersten Parameters aus einer Mehrzahl von ersten Parametern und/oder wenigstens eines zweiten Parameters aus einer Mehrzahl von zweiten Parametern auf. Vorzugsweise ist der wenigstens eine vierte Parameter dabei geeignet, um die zur optimierende technische Einrichtung zu charakterisieren und/oder um auf dessen Grundlage eine Veränderung der zu optimierenden technischen Einrichtung vorzunehmen, insbesondere eine Steuerung der zu optimierenden technischen Einrichtung einzustellen. Weiter vorzugsweise wird dieser vierte Parameter in einem weiteren Arbeitsschritt ausgegeben.

[0037] Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur modellbasierten Optimierung wird die Funktion der technischen Einrichtung kaskadenartig abgearbeitet. Dabei gehen Ausgangsparameter von Untermodellen systematisch als Eingangsparameter in weitere Untermodelle ein. Eingänge in die empirischen Untermodelle sollen dabei möglichst über bekannte physikalische Zusammenhänge mittels physikalischer Modelle berechnet werden. Um die kaskadenartige Struktur des erfindungsgemäßen Verfahrens der modellbasierten Optimierung fortzusetzen, weist eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Arbeitsschritte des vierten Bestimmens von wenigstens einem weiteren Parameter durch wenigstens ein weiteres physikalisches Modell und/oder durch wenigstens ein weiteres empirisches Modell auf der Grundlage des wenigstens einen dritten Parameters und/oder auf der Grundlage des wenigstens einen vierten Parameters und/oder auf der Grundlage wenigstens eines einer Mehrzahl von Parametern und/oder wenigstens einer Mehrzahl von zweiten Parametern auf, wobei der wenigstens eine weitere Parameter geeignet ist, um die zu optimierende technische Einrichtung zu charakterisieren und/oder um auf dessen Grundlage die Steuerung der zu optimierenden technischen Einrichtung einzustellen. Vorzugsweise weist das erfindungsgemäße Verfahren des Weiteren einen Arbeitsschritt des Ausgebens des wenigstens einen weiteren Parameters auf.

[0038] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das dritte Bestimmen des vierten Parameters und/oder das vierte Bestimmen des weiteren Parameters in einem anderem Zeitpunkt der technischen Einrichtung wie das zweite Bestimmen des dritten Parameters durchgeführt. Auf diese Weise können Zeitpunkte, welche für die jeweiligen physikalischen oder empirischen Modelle relevant sind, nacheinander in der Reihenfolge der Funktion der technischen Einrichtung abgearbeitet werden. Informationen, welche sich aus den vorhergehend berechneten Untermodellen ergeben, fließen dabei direkt in die nachfolgenden Untermodelle ein.

[0039] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Erfassen, das erste Bestimmen, das zweite Bestimmen und gegebenenfalls das dritte Bestimmen und das vierte Bestimmen ohne Messungen an der zu optimierenden technischen Einrichtung durchgeführt. Das erfindungsgemäße Verfahren hat den besonderen Vorteil, dass eine Optimierung nach etwaiger anfänglicher Adaption des Modells/der Modelle, vollständig ohne weitere Messungen an einem Fahrzeug auf dem Prüfstand oder im realen Fahrbetrieb vorgenommen werden kann. Insbesondere Tests, welche unter nicht-standard-Umgebungsbedingungen durchgeführt werden müssten, können hier durch eine Simulation einfach abgearbeitet werden.

[0040] Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren zur modellbasierten Optimierung einer technischen Einrichtung, insbesondere einer Brennkraftmaschine, wird ein Gesamtsystem der zu optimierenden technischen Einrichtung mit wenigstens einem physikalischen Modell, welches wenigstens einen bekannten physikalischen Zusammenhang charakterisiert und wenigstens ei-

nem empirischen Modell, welches auf Messungen einer Mehrzahl von bereits bekannten technischen Einrichtungen derselben Gattung, insbesondere Brennkraftmaschinen, beruht, simuliert. Vorzugsweise hängt das wenigstens eine physikalische Modell und/oder das wenigstens eine empirische Modell jeweils zusätzlich von einem maschinenspezifischen Einstellbarameter ab, um das jeweilige Modell an die zu optimierende technische Einrichtung anzupassen. Besonders vorzugsweise hängt lediglich das wenigstens eine empirische Modell von einem maschinenspezifischen Einstellbarameter ab. Weiter vorzugsweise werden in einer ersten Phase des Verfahrens wenigstens ein Messpunkt im Betrieb der zu optimierenden technischen Einrichtung gemessen und der maschinenspezifische Einstellbarameter wird auf Grundlage des wenigstens einen Messpunkts bestimmt, indem gemessene Werte mit anhand der Modelle berechneten Werte verglichen werden. Weiter vorzugsweise werden in einer zweiten Phase des Verfahrens keine Messungen mehr vorgenommen und das Gesamtsystem der zu optimierenden technischen Einrichtung wird mittels des wenigstens einen physikalischen Modells und des wenigstens einen empirischen Modells simuliert. Vorzugsweise geht ein mittels des wenigstens einen physikalischen Modells bestimmter zweiter Parameter hierbei als Eingangsparameter in das wenigstens eine empirische Modell ein. Weiter vorzugsweise geht der maschinenspezifische Einstellbarameter als weiterer Eingangsparameter in das wenigstens eine physikalische Modell ein.

[0041] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens hängt wenigstens eines der verwendeten physikalischen Modelle und/oder wenigstens eines der verwendeten empirischen Modelle zusätzlich von einem maschinenspezifischen Einstellbarameter ab, um das jeweilige Modell an die zu optimierende technische Einrichtung anzupassen, wobei vorzugsweise für verschiedene Modelle jeweils ein unterschiedlicher Einstellbarameter verwendet wird. Die jeweiligen Einstellbarameter werden in den Untermodellen verwendet, um diese an die jeweilige technische Einrichtung anzupassen.

[0042] Für eine Verbrennungskraftmaschine ist vorzugsweise jeder Einstellbarameter für ein Verbrennungssystem bestehend aus Düse, Drall und Brennraum für alle Betriebspunkte gleich. Dabei werden die Einstellbarameter nicht für jeden Betriebspunkt individuell eingestellt, sondern nur für jeweils eine Hardware-Konfiguration. Vorzugsweise kann der Einstellbarameter aber auch eine Funktion sein, welche von weiteren Parametern abhängt. Weiter vorzugsweise liegen den Einstellbarametern physikalisch basierte Effekte zugrunde, die aber aufgrund ihrer Komplexität schwer in einem Modell zu berücksichtigen sind. Im Falle einer Verbrennungskraftmaschine ist dies beispielsweise die Interaktion zwischen Einspritzstrahl und Kolbenmulde während der Verbrennung.

[0043] Vorzugsweise sind die erfindungsgemäßen Einstellbarameter direkt in die Modellstruktur eingebunden, dadurch ist es möglich, direkte oder indirekte Effekte richtig abzubilden, deren Einflüsse nicht bei allen Modelleingängen den gleichen Betrag haben.

[0044] Mit den erfindungsgemäßen empirischen Untermodellen und deren großteils physikalisch berechneten Eingangsgrößen ist es möglich, im Falle von Verbrennungskraftmaschinen die Verbrennung in neuen Motoren ohne Anpassung der Modellkoeffizienten nur durch Vorgabe der Zustände vor und nach dem Zylinder zu vorbestimmten Zeitpunkten, der geometrischen Daten, der Kraftstoffeigenschaften, der Einspritzparameter aus dem Motorsteuergerät sowie durch eine Anpassung von Einstellbarametern zu berechnen. Die Einstellbarameter stellen dabei einen guten Kompromiss zwischen Parametrieraufwand und Modellgenauigkeit dar und werden bei einem Dieselmotor oder Ottomotor insbesondere verwendet, um die Kompression, den Zündverzug, die Durchbrenngeschwindigkeit sowie die Verlustleistung, insbesondere die Reibleistung, motorspezifisch zu adaptieren. Mit gleichen Untermodellen kann auf diese Weise vorzugsweise bei nicht an der Erstellung der empirischen Modelle beteiligten Verbrennungskraftmaschinen (aber gleicher Gattung) der Verbrennungsvorgang berechnet werden. Die Einstellbarameter für die empirischen Untermodelle werden dabei so gewählt, dass alle Motoren mit ein und demselben Parametersatz abgebildet werden können. Das Verwenden von Einstellbarametern als zusätzliche Modelleingänge in die empirischen Untermodelle hat den Vorteil, dass Interaktionen von Einstellparametern und Modelleingangsparametern erfolgen können und die Einstellpbarameter daher keine konstanten Offsets oder Faktoren sind.

[0045] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung stehen als Einstellbarameter ein Kompressions-Einstellbarameter bzw. Polytropenexponent-Einstellbarameter für ein PolytropenexponentModell, ein Zündverzug-Einstellbarameter für ein Zündverzugmodell, ein Verbrennungsschwerpunkt-Einstellbarameter für das Verbrennungsschwerpunktsmodell (MFB 50%), ein Motorreibungs-Einstellbarameter für ein Reibleistungsmodell, ein Restgas-Einstellbarameter für ein Restgasgehalt-Modell, ein Füllrechnungs-Einstellpbarameter für ein Frischluftmassen-Modell, ein Hochdruckleistung-Einstellbarameter für ein Modell der indizierten Hochdruckleistung und/oder ein Ladungswechselverlust-Einstellbarameter für ein Ladungswechselverlustmodell zur Verfügung. Für die Optimierung eines Dieselmotors kommen vorzugsweise der Kompressions-Einstellparameter, der Zündverzugs- Einstellpbarameter, der Verbrennungsschwerpunkt-Einstellbarameter und der Motorreibungs-Einstellbarameter zum Einsatz. Für einen Ottomotor kommen vorzugsweise der Zündverzug-Einstellbarameter, der Verbrennungsschwerpunkt-Einstellbarameter, der Motorreibungs-Einstellpbarameter, der Füllrechnungs-Einstellbarameter, der Restgasgehalt-Einstellbarameter, der Ladungswechselverlust-Einstellbarameter und der Hochdruckleistung-Einstellbarameter zum Einsatz.

[0046] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein Wert wenigstens eines maschinenspezifischen Einstellbarameters für alle Betriebspunkte der zu optimierenden technischen Einrichtung, insbesondere der Brennkraftmaschine, gleich, wobei die Brennkraftmaschinen vorzugsweise durch wenigstens eine der folgenden Gruppen definiert ist: Düse, Brennraum und Ladungsbewegung, insbesondere Drall oder Tumble; Ventil Charakteristik und Einlassgeometrie; Verlustleistungscharakteristik. Für einen Dieselmotor beispielsweise sind die Einstellbarameter jeweils für ein Verbrennungssystem, bestehend aus Düse, Drall und Brennraum für sämtliche Betriebspunkte vorzugsweise gleich. Somit müssen die Einstellbarameter nicht für jeden Betriebspunkt individuell, sondern nur für eine Hardware-Konfiguration des Motors eingestellt werden. Als Basiswert für die Berechnung von neuen Motoren, von denen keine Messdaten vorliegen, können beispielsweise Mittelwerte aus den bei der Modellerstellung gefundenen Einstellpbarametern verwendet werden.

[0047] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der maschinenspezifische Einstellbarameter ein weiterer Eingangsparameter für das jeweilige Modell, welche für den gesamten Betriebsbereich der zu optimierenden technischen Einrichtung konstant ist. Wie bereits ausgeführt, erfolgt die Einstellung des maschinenspezifischen Einstellparameters in Abhängigkeit von der zu optimierenden technischen Einrichtung. Für die Simulation einer einzigen Einrichtung ist der Einstellbarameter vorzugsweise konstant. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt daher eine besonders einfache und einmal durchzuführende Anpassung des Gesamtmodells beziehungsweise der jeweiligen Untermodelle an eine spezifische technische Einrichtung.

[0048] Daher wird in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens als Ausgangswert für einen maschinenspezifischen Einstellbarameter der zu optimierenden technischen Einrichtung ein auf der Grundlage der Werte von Einstellbarametern der Mehrzahl von bereits bekannten technischen Einrichtungen, insbesondere also ein Mittelwert, ermittelt.

[0049] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist dieses des Weiteren vorzugsweise folgende Arbeitsschritte auf: Messen wenigstens eines Messpunkts im Betrieb der zu optimierenden technischen Einrichtung; und Bestimmen des maschinenspezifischen Einstellbarameters auf der Grundlage des wenigstens einen Messpunkts, indem gemessene Werte mit berechneten Werten des ersten Parameters oder zweiten Parameters bei gleichen Eingangsparametern verglichen werden.

[0050] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist dieses des Weiteren den Arbeitsschritt des Erfassens des wenigstens einen zweiten Parameters und des Bestimmens des wenigstens einen maschinenspezifischen Einstellbarameters auf der Grundlage des wenigstens einen erfassten zweiten Parameters, insbesondere durch Vergleich von wenigstens einem erfassten Wert mit wenigstens einem anhand des ersten empirischen Modells bestimmten Wert des wenigstens einen dritten Parameters, auf.

[0051] Weiter vorzugsweise wird auch der wenigstens eine dritte Parameter erfasst der wenigstens eine maschinenspezifische Einstellbarameters auf dessen Grundlage, insbesondere durch Vergleichen von wenigstens einem erfassten Wert mit wenigstens einem anhand des ersten empirischen Modells bestimmten Wertes des wenigstens einen dritten Parameters, bestimmt.

[0052] Weiter vorzugsweise wird auch der wenigstens eine vierte Parameter erfasst und der wenigstens eine Einstellbarameter auf der Grundlage des erfassten wenigstens einen vierten Parameters, insbesondere durch Vergleich von wenigstens einem erfassten Wert mit wenigstens einem anhand des zweiten empirischen Modells bestimmten Wert des wenigstens einen vierten Parameters.

[0053] Weiter vorzugsweise wird der wenigstens eine weitere Parameter erfasst und der wenigstens eine Einstellbarameter auf der Grundlage des erfassten wenigstens einen Parameters bestimmt, insbesondere durch Vergleich von wenigstens einem erfassten Wert mit einem anhand des weiteren empirischen Modells gefundenen Wertes des wenigstens einen weiteren Parameters.

[0054] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist dieses des Weiteren den Arbeitsschritt des Veränderns wenigstens eines ersten Parameters der zu optimierenden technischen Einrichtung auf der Grundlage des wenigstens einen dritten Parameters, des wenigstens einen vierten Parameters und/oder des wenigstens einen weiteren Parameters auf.

[0055] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist dieses den Arbeitsschritt des Veränderns des wenigstens einen ersten Parameters der zu optimierenden technischen Einrichtung auf der Grundlage des wenigstens einen dritten Parameters, des wenigstens einen vierten Parameters und/oder des wenigstens einen weiteren Parameters auf. Die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur modellbasierenden Optimierung bestimmten Werte der jeweiligen Parameter bzw. Wertekurven der jeweiligen Parameter lassen Rückschlüsse darauf zu, wie die technische Einrichtung an sich oder deren Steuerung verändert werden müssen, um die Funktion der technischen Einrichtung zu optimieren.

[0056] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist dieses des Weiteren den Arbeitsschritt des Bewertens des wenigstens einen dritten Parameters, des wenigstens einen vierten Parameters und/oder des wenigstens einen weiteren Parameters anhand einer Referenz auf. Hierdurch kann eine Bewertung der dem erfindungsgemäßen Verfahren unterzogenen Konfiguration einer technischen Einrichtung anhand verschiedener Kriterien bewertet werden. Vorzugsweise wird diese Bewertung auch ausgegeben.

[0057] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der wenigstens eine erste Parameter durch ein Steuergerät für die zu optimierende technische Einrichtung vorgegeben oder eingestellt. Hierdurch kann die auf einem Steuergerät für die technische Einrichtung hinterlegte Steuerfunktion bzw. -funktionen geprüft werden. Die Antwort des erfindungsgemäßen Verfahrens entspricht dabei der simulierten Reaktion der technischen Einrichtung.

[0058] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der wenigstens eine erste Parameter durch eine Veränderung konstruktiver Merkmale der zu optimierenden technischen Einrichtung beeinflussbar.

[0059] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das wenigstens eine empirische Modell ein polynomisches Modell, dessen Koeffizienten anhand der Messungen an der Mehrzahl von bereits bekannten technischen Einrichtungen derselben Gattung, insbesondere Brennkraftmaschinen, durch eine Ausgleichsrechnung bestimmt sind, wobei der Einstellpbarameter ein Eingangsparameter des empirischen Modells ist, welcher mit wenigstens einem Koeffizienten multipliziert wird und welcher für die zu optimierende technische Einrichtung konstant ist.

[0060] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als

erster Parameter wenigstens einer aus den folgenden Gruppen ausgewählt:

[0061] + Geometrische Daten, insbesondere Bohrung, Hub, Pleuellänge, Verdichtungsverhältnis, Zylinderanzahl, Anzahl der Einspritzlöcher, Durchfluss Einspritzdüse und/oder Verhältnis Zylinderoberfläche/Zylindervolumen, Kurbelradius, Hubvolumen eines Zylinders, Verdichtungsvolumen eines Zylinders, effektiver Strömungsquerschnitt Düsenloch, Düsenlochdurchmesser, Ventilhubkurven, Ladungsbewegungsklappe;

[0062] + Daten in Bezug auf einen Betriebspunkt, insbesondere Einspritzbeginn der Haupteinspritzung, Drehzahl, Haupteinspritzmenge, Voreinspritzmenge, Nacheinspritzmenge, Einspritzbeginn einer Nacheinspritzung, Zylinderdruck bei Einspritzbeginn, Druck im Saugrohr, Kolbenweg bei Einspritzbeginn, Hubvolumen bei Einspritzbeginn, Zylindervolumen bei Einspritzbeginn, Temperatur bei Einspritzbeginn, Kühlmitteltemperatur, Öltemperatur, Zündzeitpunkt;

[0063] + Luftpfadbezogene Daten, insbesondere Ladedruck, Ladelufttemperatur, Druck im Auslasssammler, Druck nach Turbine, Einlass und Auslass-Ventil OÖffnungs- und Schließzeitpunkte, AGR-Rate, Liefergrad, Absolute Luftfeuchtigkeit Sauerstoffkonzentration in Luft, Druck und Temperatur im Saugrohr, Temperatur im Auslasssammler, maximale Einlass und Auslass-Ventilerhebung;

[0064] + Kraftstoffsystembezogene Daten, insbesondere hydraulischer Verzug Spritzbeginn, hydraulischer Verzug Spritzende, Kraftstoffdichte, Dauer der Haupteinspritzung, Einspritzbeginn, vorzugsweise Bestromungsbeginn Haupteinspritzung, Einspritzende, Einspritzdruck, Bestromungsbeginn Voreinspritzung, und/oder Bestromungsbeginn Nacheinspritzung, Einlasssammlertemperatur, Kraftstoffanteil der Tankentlüftung;

[0065] + Verbrennungsbezogene Daten, insbesondere unterer Heizwert, Lambda-Wert, Zylinderoberfläche bei einem Kurbelwinkel des zu 50% verbrannten Gemisches (MFB 50%), volumenspezifische Kraftstoffleistung, volumenspezifische Kraftstoffmenge, volumenspezifische Kraftstoffleistung einer Nacheinspritzung.

[0066] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens...als zweiter Parameter und/oder vierter Parameter wenigstens einer aus den folgenden Gruppen ausgewählt, welche auf der Grundlage eines physikalischen Modells ermittelt werden:

[0067] + Kraftstoffmassenstrom, insbesondere kann dieser aus in einer Messzeit verbrauchten Volumen und der bekannten Kraftstoffdichte berechnet werden, wobei als Eingangsparameter für ein physikalisches Modell zur Bestimmung des Kraftstoffmassenstroms im Zylinder wenigstes ein Parameter aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist:

- Kraftstoffdichte;

- Voreinspritzmenge;

- Haupteinspritzmenge; - Nacheinspritzmenge;

[0068] + Gaszusammensetzung im Zylinder, insbesondere Sauerstoffkonzentration im Zylinder, wobei als Eingangsparameter für ein physikalisches Modell zur Bestimmung der Gaszusammensetzung im Zylinder wenigstes ein Parameter aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist:

- Lambda; - AGR-Rate oder Restgasgehalt im Zylinder; - Luftfeuchtigkeit;

[0069] + massenbezogene Wärmemenge, wobei als Eingangsparameter für ein physikalisches Modell zur Bestimmung der massenbezogene Wärmemenge wenigstes ein Parameter aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist:

- Kraftstoffmassenstrom; - gesamter Zylindermassestrom inkl. Restgas; - unterer Heizwert;

[0070] + Kolbenbewegung, insbesondere mittlere Kolbengeschwindigkeit, Kolbengeschwindigkeit bei Einspritzbeginn, Zylindervolumen bei Einspritzbeginn und/oder ein Verdichtungsverhältnis bei Einspritzbeginn, insbesondere effektives ein Verdichtungsverhältnis bei Einspritzbeginn, Zylindervolumen bei Einlassventil Schließen, Zylindervolumen zum Zündzeitpunkt, Kolbengeschwindigkeit bei Einlassventil Schließen, Kolbengeschwindigkeit bei Zündzeitpunkt, wobei als Eingangsparameter für ein physikalisches Modell zur Bestimmung der Kolbenbewegung wenigstes ein Parameter aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist:

- Drehzahl;

- Hub;

- Kurbelradius;

- Pleuellänge;

- Kurbelwellenwinkel bei Einspritzbeginn;

- Polytropenexponent;

- Zylinderdruck bei Einspritzbeginn;

- Druck im Saugrohr;

- Hubvolumen eines Zylinders;

- Verdichtungsvolumen eines Zylinders;

- Kolbenweg bei Einspritzbeginn;

- Bohrung;

- Hubvolumen bei Einspritzbeginn;

- Kolbenweg bei Zündzeitpunkt;

- Hubvolumen bei Zündzeitpunkt;

- Kolbenweg beim Schließen des Einlassventils; - Hubvolumen beim Schließen des Einlassventils;

[0071] + thermodynamischer Zustand im Zylinder bei Einspritzbeginn, wobei als Eingangsparameter für ein physikalisches Modell zur Bestimmung des thermodynamischen Zustands im Zylinder bei Einspritzbeginn wenigstes ein Parameter aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist:

- Zylinderdruck bei Einspritzbeginn; - Temperatur bei Einspritzbeginn;

- gesamte Masse im Zylinder;

- ideale Gaskonstante;

[0072] + thermodynamischer Zustand im Zylinder bei Einlassventil Schließen, wobei als Eingangsparameter für ein physikalisches Modell zur Bestimmung des thermodynamischen Zustands im Zylinder bei Einlassventil Schließen wenigstens ein Parameter

aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist:

- Druck im Zylinder bei Einlassventil Schließen;

- Gasgemischtemperatur im Zylinder bei Einlassventil Schließen; - Luftmasse im Zylinder (Frischluft und Restgas);

- Kraftstoffmasse im Zylinder;

- Gaskonstante des Luft/Kraftstoffgemischs im Zylinder;

[0073] + thermodynamischer Zustand im Zylinder zum Zündzeitpunkt, wobei als Eingangsparameter für ein physikalisches Modell zur Bestimmung des thermodynamischen Zustands im Zylinder zum Zündzeitpunkt wenigstens ein Parameter aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist:

- Druck im Zylinder zum Zündzeitpunkt;

- Gasgemischtemperatur im Zylinder zum Zündzeitpunkt; - Luftmasse im Zylinder (Frischluft und Restgas);

- Kraftstoffmasse im Zylinder;

- Gaskonstante des Luft/Kraftstoffgemischs;

[0074] + Austrittsgeschwindigkeit aus einer Düse und/oder Tropfendurchmesser, wobei als Eingangsparameter für ein physikalisches Modell zur Bestimmung der Austrittsgeschwindigkeit aus einer Düse wenigstes ein Parameter aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist:

- Zylinderdruck bei Einspritzbeginn;

- Einspritzdruck;

- Kraftstoffdichte;

- Durchfluss Einspritzdüsen, insbesondere laut Hersteller; - Anzahl der Düsenlöcher;

- effektiver Strömungsquerschnitt Düsenloch;

- Düsenlochdurchmesser;

Eigenschaften des Kraftstoffs, insbesondere Oberflächenspannung eines Kraftstoffs und/oder kinematische Viskosität des Kraftstoffs;

- Ladungsdichte bei Einspritzbeginn; - Zylinderdruck bei Einspritzbeginn; - mittlerer Tropfendurchmesser;

[0075] + Tropfendurchmesser, wobei als Eingangsparameter für ein physikalisches Modell zur Bestimmung des Tropfendurchmessers wenigstes ein Parameter aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist:

- Einspritzdruck. - effektiver Strömungsquerschnitt Düsenloch; - Düsenlochdurchmesser;

[0076] + Brennbeginn, wobei als Eingangsparameter für ein physikalisches Modell zur Bestimmung des Brennbeginns wenigstes ein Parameter aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist:

- Einspritzbeginn oder Zündzeitpunkt; - Zündverzug;

[0077] + Abgastemperatur am Zylinderaustritt, wobei als Eingangsparameter für ein physikalisches Modell zur Bestimmung der Abgastemperatur am Zylinderaustritt wenigstes ein Parameter aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist:

- Verlustleistung über Zylinderwände;

- Indizierter Mitteldruck;

- Chemisch gebundene Energie des Kraftstoffes - Einlassenthalpie.

[0078] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist als dritter Parameter, vierter Parameter und/oder weiterer Parameter wenigstens einer aus den folgenden Gruppen ausgewählt, welcher auf der Grundlage eines empirischen Modells ermittelt werden:

[0079] + Druck im Zylinder bei Einlassventil-Schließen, wobei als Eingangsparameter für ein empirisches Modell zur Bestimmung des Drucks im Zylinder bei EinlassventilSchließen wenigstens ein Parameter aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist:

- Zeitpunkt Einlassventil Schließen;

- Druck und Temperatur im Saugrohr:

- Kolbengeschwindigkeit bei Einlassventil-Schließen;

- Kraftstoffmenge im Zylinder zum Zeitpunkt Einlassventil-Schließen;

- Unterscheidungskriterium Einlassventil-Schließen vor oder nach Ladungswechsel-oberer Totpunkt;

[0080] + Polytropenexponent, insbesondere Temperatur und Druck bei Einspritzbeginn, wobei als Eingangsparameter für ein empirisches Modell zur Bestimmung des Polytropenexponents wenigstens ein Parameter aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist:

- Drehzahl;

- Gasgemischtemperatur im Zylinder bei Einlassventil-Schließen; - Basis Polytropenexponent;

- Einspritzbeginn;

- Einlasssammlertemperatur;

- Massenbezogene Wärmemenge;

- Zylindervolumen zum Zündzeitpunkt;

- Lambda-Wert;

- Polytropenexponent Einstellbarameter

[0081] + Zündverzug, wobei als Eingangsparameter für ein empirisches Modell zur Bestimmung des Zündverzugs wenigstes ein Parameter aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist:

- Drehzahl;

- Gastemperatur und/oder Druck im Zylinder bei Beginn der Einspritzung oder zum Zündzeitpunkt;

- Einlassventilhub; - Stellung der Ladungsbewegungsklappe; - Tropfendurchmesser;

- Sauerstoffkonzentration;

- Kolbengeschwindigkeit bei Einspritzbeginn;

- Zündverzug Einstellpbarameter;

- Restgasgehalt im Zylinder;

- Mittlere Kolbengeschwindigkeit;

- Lambda-Wert:

- Zündzeitpunkt;

- Kraftstoffmengenäquivalent für Kraftstoffmenge im Zylinder;

[0082] + Verbrennungsschwerpunkt, wobei als Eingangsparameter für ein empirisches Modell zur Bestimmung des Verbrennungsschwerpunkts wenigstes ein Parameter aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist:

- Drehzahl;

- Restgasgehalt im Zylinder;

- Einlassventilhub;

- Einspritzdauer;

- Zündverzug;

- Austrittsgeschwindigkeit aus Einspritzdüse; - Sauerstoffkonzentration in einem Brennraum; - Zündzeitpunkt;

- Lambda;

- Mittlere Kolbengeschwindigkeit;

- Stellung der Ladungsbewegungsklappe;

[0083] + Verlustleistung über die Zylinderwände, wobei als Eingangsparameter für ein empirisches Modell zur Bestimmung der Verlustleistung über die Zylinderwände wenigstes ein Parameter aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist:

- Volumenspezifische Kraftstoffleistung der Haupteinspritzung; - Oberfläche-Volumen-Verhältnis eines Brennraums;

- Kolbengeschwindigkeit;

- Restgasgehalt im Zylinder;

- 1/Lambda;

- Verbrennungsschwerpunkt und/oder Zylinderoberfläche bei Verbrennungsschwerpunkt;

- AGR-Rate;

- Brennbeginn;

- Temperatur bei Einspritzbeginn;

- Volumenspezifische Kraftstoffleistung einer Nacheinspritzung; - Einspritzbeginn der Nacheinspritzung;

- Unterscheidungskriterium Verlustleistungsrechnung für hohe und niedrige Motorlasten;

- Druck im Zylinder zum Zündzeitpunkt; - Gasgemischtemperatur im Zylinder zum Zündzeitpunkt;

[0084] + indizierter Mitteldruck der Hochdruckschleife, wobei als Eingangsparameter für ein empirisches Modell zur Bestimmung des indizierten Mitteldrucks der Hochdruckschleife wenigstes ein Parameter aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist:

- Volumenspezifische Kraftstoffleistung; - Volumenspezifischer Wandwärmestrom; - Brennbeginn;

- Verbrennungsschwerpunkt, insbesondere Verbrennungsdauer bis zu Verbrennungsschwerpunkt;

- Volumenspezifische Kraftstoffleistung einer Nacheinspritzung; - Einspritzbeginn einer Nacheinspritzung;

- Unterscheidungskriterium Rechnung indizierter Leistung für hohe und niedrige Motorlasten;

- Einstellbarameter; - Lambda-Wert; - Kolbengeschwindigkeit;

[0085] + Zylinderspitzendruck, wobei als Eingangsparameter für ein empirisches Modell zur Bestimmung des Zylinderspitzendrucks wenigstes ein Parameter aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist:

- Druck bei Einspritzbeginn der Haupteinspritzung;

- Brennbeginn;

- Durchbrenndauer;

- Spezifische Kraftstoffmasse, insbesondere aus Kraftstoffmassenfluss;

[0086] + Reibleistung, wobei als Eingangsparameter für ein empirisches Modell zur Bestimmung der Reibleistung wenigstes ein Parameter aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist:

- Zylinderspitzendruck; - Mittlere Kolbengeschwindigkeit; - Kühlmitteltemperatur; - Öltemperatur; - Einstellpbarameter Motorreibung; - Hochdruckleistung; [0087] + Ladungswechselverluste - Druck im Saugrohr; - Druck im Auslasssammler; - Bohrung; - Angesaugte Frischluftmenge: - Einlassventilhub; - Einstellbarameter;

[0088] + Stickoxidemissionen, wobei als Eingangsparameter für ein empirisches Modell zur Bestimmung der Stickoxidemissionen wenigstes ein Parameter aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist:

- Sauerstoffkonzentration bei Brennbeginn (aus Gaszusammensetzung); - Brennbeginn der Haupteinspritzung;

- MFB50%;

- Einstellbarameter;

- Scavenging-Parameter;

- Brenndauer Verbrennungsbeginn bis Verbrennungsschwerpunkt; - Drehzahl;

- 1/Lambda;

- Temperatur bei Einspritzbeginn der Haupteinspritzung;

- Mittlere Kolbengeschwindigkeit;

- Gasgemischtemperatur im Zylinder zum Zündzeitpunkt;

- Lambdaäquivalent;

- Frischluftmenge im Zylinder;

- Restgasgehalt im Zylinder;

- Brenndauer-Parameter.

[0089] + Kohlenwasserstoffemissionen, wobei als Eingangsparameter für ein empirisches Modell zur Bestimmung der Kohlenwasserstoffemissionen wenigstes ein Parameter aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist:

- Mittlere Kolbengeschwindigkeit

- Frischluftmenge im Zylinder

- Lambdaäquivalent

- Brenndauer Beginn bis MFB50% - Indizierter Mitteldruck

- Zylinderwandtemperatur

- Restgasgehalt im Zylinder

- Scavenging Parameter

- Brenndauer-Parameter.

[0090] + Kohlenmonoxidemissionen, wobei als Eingangsparameter für ein empirisches Modell zur Bestimmung der Kohlenmonoxidemissionen wenigstens ein Parameter aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist:

- Lambdaäquivalent;

- Mittlere Kolbengeschwindigkeit;

- Frischluftmenge im Zylinder;

- Temperatur des rückgesaugten Abgases;

- Einspritzbeginn und Dauer der ersten und der weiteren Einspritzungen; - Restgasgehalt im Zylinder;

- Brenndauer-Parameter; - Scavenging-Parameter.

[0091] + Rußemission, wobei als Eingangsparameter für ein empirisches Modell zur Bestimmung der Stickoxidemissionen wenigstes ein Parameter aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist:

- Lambda; - AGR-Rate; - Einspritzdruck.

[0092] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das wenigstens eine erste, das wenigstens eine zweite und/oder das wenigstens eine dritte empirische Modell aus den Messungen einer Mehrzahl von bereits bekannten technischen Einrichtungen durch eine Methode der begrenzten Fehlerquadrate bestimmt.

[0093] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens gehen in die Kalibrierung wenigstens vier verschiedene empirische Modelle, bevorzugt wenigstens sechs verschiedene empirische Modelle, besonders bevorzugt acht verschiedene empirische Modelle, am bevorzugtesten elf verschiedene empirische Modelle ein.

[0094] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens geht in jedes der wenigstens vier verschiedenen empirischen Modelle jeweils ein maschinenspezifischer Einstellpbarameter als Eingangsparameter ein.

[0095] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmen die empirischen Modelle einen Polytropenexponent, einen Zündverzug, einen Verbrennungsschwerpunkt und eine Reibleistung.

[0096] Die in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren und dessen vorteilhafte Ausgestaltungen beschriebenen Merkmale und Vorteile gelten auch für das erfindungsgemäße weitere Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung entsprechend und umgekehrt.

[0097] In einer vorteilhaften Ausgestaltung des weiteren erfindungsgemäßen Verfahrens ist wenigstens ein erster Parameter in Bezug auf die zu optimierende technische Einrichtung, welche eine physikalische Größe charakterisiert, ein Eingangsparameter des wenigstens einen physikalischen Modells und ein mittels des wenigstens einen empirischen Modells bestimmter dritter Parameter, welcher geeignet ist, um die zu optimierende technische Einrichtung zu charakterisieren und/oder um auf dessen Grundlage eine Veränderung der zu optimierenden technischen Einrichtung vorzunehmen, insbesondere eine Steuerung der zu optimierenden technischen Einrichtung einzustellen, wird ausgegeben.

[0098] Die im Vorherstehenden beschriebenen Aspekte der Erfindung und die dazugehörigen zur Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens offenbarten Merkmale gelten auch für den Aspekt der erfindungsgemäßen Vorrichtung entsprechend.

[0099] Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigen wenigstens teilweise schematisch:

[00100] Figur 1 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur modellbasierten Optimierung einer technischen Einrichtung;

[00101] Figur2 ein Blockdiagramm zur Darstellung des Informationsflusses in Bezug auf die physikalischen Modelle bei einer Optimierung eines Dieselmotors;

[00102] Figur3 eine Darstellung des Informationsflusses in Bezug auf die empirischen Modelle in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in Bezug auf einen Dieselmotor;

[00103] Figur4 eine Darstellung des Informationsflusses zwischen den empirischen Modellen einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in Bezug auf einen Dieselmotor;

[00104] Figur5 eine Darstellung des Informationsflusses zwischen den empirischen Modellen einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in Bezug auf einen Ottomotor;

[00105] Figur6 ein Flussdiagramm für die Erstellung eines dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrundeliegenden Modells;

[00106] Figur 7 ein Diagramm eines Betriebsbereichs eines Motors; [00107] Figur8 ein Paritätsdiagramm für ein empirisches Modell;

[00108] Figur9 eine andere Darstellung des Paritätsdiagramms aus Fig. 8; [00109] Figur 10 eine Darstellung eines Betriebsbereichs von drei Motoren;

[00110] Figur 11 ein Paritätsdiagramm für ein empirisches Modell auf der Grundlage von den drei Motoren;

[00111] Figur 12 ein Paritätsdiagramm nach Fig. 11, wobei in dem empirischen Modell Einstellparameter berücksichtigt sind;

[00112] Figur 13 ein Interaktionsdiagramm für einzelne Eingangsparameter in ein empirisches Modell des Zündverzugs;

[00113] Figur 14 ein Paritätsdiagramm, wobei ein empirisches Modell unterschiedliche Offsets für die einzelnen Motoren vorsieht;

[00114] Figur 15 den Ablauf bei der Modellerstellung der einzelnen empirischen Modelle für eine Gesamtsimulation einer Brennkraftmaschine in chronologischer Reihenfolge;

[00115] Figur 16 mehrere Diagramme von Parametern, die den Betrieb einer Brennkraftmaschine charakterisieren, sowohl von an einer realen Brennkraftmaschine gemessene Werten als auch von mit einer Ausführungsform der Erfindung berechneten Werten; und

[00116] Figur 17 einen Vergleich von gemessenen zu mit dem erfindungsgemäß berechneten Werten einiger der Parameter aus Fig. 16.

[00117] Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Brennkraftmaschine als technischer Einrichtung beschrieben, insbesondere anhand eines Dieselmotors. Die Erfindung kann jedoch auch grundsätzlich auf die Optimierung anderer technischer Einrichtungen übertragen werden, welche Funktionsweisen aufweisen, die eine Unterteilung in gemessene physikalische Größen, physikalische Modelle und empirische Modelle zulassen.

[00118] Anhand des Blockdiagramms aus Fig. 1 wird der Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur modellbasierten Optimierung erläutert.

[00119] Bei dieser modellbasierten Optimierung kommen einerseits physikalische Modelle, welches wenigstens einen bekannten physikalischen Zusammenhang charakterisieren, und andererseits empirische Modelle, welche mittels einer Ausgleichsrechnung, insbesondere einer Regressionsanalyse, auf der Grundlage einer Mehrzahl von bereits bekannten technischen Einrichtungen derselben Gattung, erstellt werden, zum Einsatz.

[00120] Das Verfahren lässt sich in zwei Phasen aufteilen. In einer ersten Phase (Phase 1) werden die empirische Modelle, welche die für eine Gattung von Brennkraftmaschinen allgemeingültigen Abhängigkeiten wiederspiegeln, an die jeweils zu optimierende Brennkraftmaschine angepasst. Hierfür wird eine möglichst geringe Anzahl von Messpunkten im Betrieb der zu optimierenden Brennkraftmaschine, beispielsweise auf dem Prüfstand, gemessen 10A.

[00121] Zusätzlich wird das empirische Modell bzw. werden die empirischen Modelle mit denselben Werten für die Eingangsparameter beaufschlagt wie die Brennkraftmaschine auf dem Prüfstand, d.h. die Simulation wird für denselben Messpunkt durchgeführt. Gemessenen Werte von Ausgangsparametern, d.h. Betriebsparametern der Brennkraftmaschine, welche sich infolge der Vorgabe von Eingangsparametern einstellen, werden mit Werten verglichen, welche anhand des anzupassenden empirischen Modells bzw. der Modelle für den Messpunkt bestimmt wurden. Der Einstellpbarameter des empirischen Modells bzw. die Einstellpbarameter der empirischen Modelle werden schließlich in Weise gewählt, dass eine möglichst große Ubereinstimmung mit den gemessenen Werten der Ausgangsparameter erreicht wird 10B. Hierfür können insbesondere Methoden der Ausgleichsrechnung wie die Regressionsanalyse oder die Methode der kleinsten Fehlerquadrate eingesetzt werden.

[00122] Die zweite Phase kann wiederum in drei funktionale Abschnitte A, B, C gegliedert werden.

[00123] In Abschnitt A werden physikalische Größen erfasst, insbesondere eingegeben oder gemessen, welche als Eingangsparameter in die erfindungsgemäß angewandten Modelle bzw. Untermodelle dienen.

[00124] In Abschnitt B sind die in dem erfindungsgemäßen Verfahren angewandten physikalischen Modelle zusammengefasst, welche einerseits physikalische Größen als Eingangsparameter empfangen und andererseits anhand der physikalischen Modelle ermittelte Ausgangsparameter an empirische Modelle in Abschnitt C als Eingangsparameter weitergeben.

[00125] Die empirischen Modelle in Abschnitt C weisen als Eingangsparameter optional auch physikalische Größen auf, welche unmittelbar erfasste Größen sind und kein physikalisches Modell durchlaufen haben. Ausgangsparameter der empirischen Modelle in Abschnitt C können wiederum als Eingangsparameter für die physikalischen Modelle in Abschnitt B oder weitere empirische Modelle in Abschnitt C dienen. Auf diese Weise wird der Verbrennungsvorgang einer Brennkraftmaschine kaskadenartig nachgebildet, wobei insbesondere die Abfolge der in dem erfindungsgemäß verwendeten empirischen Untermodelle dem Verlauf der Verbrennung folgt.

[00126] Um möglichst globale Gültigkeit zu haben, werden möglichst große Teile aus dem Stand der Technik in den empirischen Modellen enthaltenen physikalischen Zusammenhänge in physikalische Modelle ausgelagert. Dadurch kann die Anzahl an Eingangsparametern in den empirischen Modellen reduziert werden. Auf diese Weise ist es einfach, bei einer bestehenden technischen Einrichtung geometrische Randbedingungen zu ändern und die dadurch verursachten Änderungen zu ermitteln.

[00127] Die Verfahrensschritte folgen vorzugsweise der durch die Reihenfolge der einzelnen Arbeitsschritte in den Ansprüchen angegebene Reihenfolge, welche sich auch in Fig. 1 wiederfindet. Die Arbeitsschritte können jedoch auch in einer anderen Reihenfolge ablaufen, solange eine Abbildung der funktionalen Abhängigkeiten möglich ist:

[00128] An der zu optimierenden Brennkraftmaschine werden vorzugsweise physikalische Größen erfasst, um die Brennkraftmaschine charakterisieren 101.

[00129] Die physikalischen Größen charakterisieren hierbei die technische Einrichtung und/oder deren Gattung ganz allgemein und können im Wesentlichen in zwei Kategorien unterteilt werden:

[00130] Zum einen kann es sich hierbei um physikalische Größen handeln, welche von einem Steuergerät der zu optimierenden technischen Einrichtung vorgegeben oder eingestellt werden, beispielsweise die Drosselklappenstellung, etc.

[00131] Alternativ oder zusätzlich können diese physikalischen Größen konstruktive Merkmale der zu optimierenden technischen Einrichtung sein, welche entweder als Konstruktionsdaten bekannt sind oder gemessen werden können. Beispiele hierfür sind Düsengeometrie, Brennraum und Ladungsbewegung, insbesondere Drall oder Tumble, Ventilcharakteristik, Einlasskanalgeometrie und/oder Verlustleistungscharakteristik.

[00132] Vorzugsweise lassen sich anhand der erfassten physikalischen Größen auch detaillier

tere Aussagen über die Funktion der Brennkraftmaschine machen. Die so erfassten ersten Parameter werden dabei vorzugsweise in der Weise ausgewählt, um die physikalischen Modelle in Abschnitt B und/oder die empirischen Modelle in Abschnitt C mit den notwendigen Eingangsparametern zu versorgen.

[00133] Die erfassten physikalischen Größen werden in einem weiteren Arbeitsschritt vorzugsweise normiert, um die physikalischen Größen in Bezug auf Brennkraftmaschinen gleicher Gattung, aber beispielsweise unterschiedlicher Leistungsstufe, vergleichbar zu machen 102. In einem darauffolgenden Arbeitsschritt wird wenigstens eine der erfassten physikalischen Größen dazu verwendet, ein physikalisches Untermodell zu berechnen 103. Der bzw. die aus dem physikalischen Modell hergeleiteten Ausgangsparameter werden wiederum dazu verwendet, in einem darauffolgenden Arbeitsschritt ein empirisches Untermodell zu berechnen 104. Es ist vorzugsweise auch möglich, dass mehrere physikalische Modelle herangezogen werden, um das in Schritt 104 berechnete empirische Untermodell mit Eingangsparametern zu versorgen. Weiterhin vorzugsweise können auch erfasste physikalische Größen direkt in die Berechnung 104 des empirischen Untermodells einfließen.

[00134] In einem weiteren Arbeitsschritt wird der Ausgangsparameter bzw. die Ausgangsparameter des berechneten empirischen Modells an ein physikalisches Modell in Abschnitt B oder ein empirisches Modell in Abschnitt C übergeben 105. Vorzugsweise geben diese weiteren Untermodelle Zusammenhänge an, welche in der Abfolge des Verbrennungsvorgangs zeitlich nach dem in Arbeitsschritt 104 berechneten empirischen Untermodell liegen. Wird der Ausgangsparameter oder die Ausgangsparameter aus Arbeitsschritt 104 an ein physikalisches Modell übergeben, so wird mittels diesem in einem weiteren Arbeitsschritt 106a vorzugsweise ein weiterer Ausgangsparameter berechnet, welcher wiederum an ein drittes physikalisches Modell oder an ein zweites empirisches Modell ausgegeben wird 107a.

[00135] In einem weiteren Arbeitsschritt wird vorzugsweise das zweite empirische Modell berechnet 106b, wobei der Ausgangsparameter aus dem ersten empirischen Modell, der Ausgangsparameter aus dem zweiten physikalischen Modell und/oder eine weitere physikalische Größe vorzugsweise als Eingangsparameter dienen. Der von dem zweiten empirischen Modell ausgegebene Ausgangsparameter dient als Eingangsparameter für das dritte physikalische Modell und/oder ein drittes empirisches Modell und wird daher vorzugsweise an dieses ausgegeben 107b. Vorzugsweise wird in dem dritten physikalischen Modell ein weiterer Ausgangsparameter berechnet 108a, vorzugsweise anhand des von dem zweiten physikalischen Modell ausgegebenen Ausgangsparameters, dem von dem zweiten empirischen Modell ausgegebenen Ausgangsparameter und/oder einer weiteren erfassten physikalischen Größe 108a. Der Ausgangswert des dritten physikalischen Modells wird an das dritte empirische Modell übergeben und das dritte empirische Modell wird anhand dieses Parameters, dem Ausgangsparameter des zweiten empirischen Modells und/oder einer weiteren physikalischen Größe berechnet 108b und vorzugsweise ausgegeben 109b.

[00136] Die im Vorhergehenden in Bezug auf Fig. 1 dargestellte kaskadierte Verfahrensweise einer Kombination von Informationen aus erfassten physikalischen Größen, aus physikalischen Modellen und aus empirischen Modellen kann vorzugsweise beliebig oft wiederholt werden, wie dies ebenfalls in Fig. 1 angedeutet ist.

[00137] Vorzugsweise kann jeder ausgegebene Parameter einem Benutzer dargestellt werden oder auch durch einen Vergleich mit einem Referenzwert zur Bewertung der zu optimierenden Brennkraftmaschine verwendet werden. Schließlich können gewonnene Parameterwerte mittels einer Veränderung der Konfiguration der Brennkraftmaschine zur Optimierung herangezogen werden 110, 111.

[00138] Figur 2 stellt rein beispielhaft Abhängigkeiten der physikalischen Modelle (in der Mitte) von der Vielzahl an physikalischen Größen sowie Abhängigkeiten untereinander in Bezug auf einen Dieselmotor dar. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel geht vorzugsweise der PoIytropenexponent aus einem empirischen Modell in den thermodynamischen Zustand im Zylinder als physikalisches Modell ein. Als zweiter anhand eines empirischen Modells berechneter Para-

meter geht des Weiteren der Zündverzug in das physikalische Modell für den Brennbeginn ein.

[00139] Figur 3 zeigt beispielhaft Abhängigkeiten der empirischen Modelle (in der Mitte) von physikalischen Modellen links und physikalischen Größen rechts bei einem Dieselmotor. Neben den anhand von physikalischen Modellen berechneten Parametern geht vorzugsweise auch jeweils eine geringe Anzahl von physikalischen Größen direkt in die empirischen Modelle ein.

[00140] Vorzugsweise geht die Kolbenbewegung als Eingangsparameter in die Berechnung des Zündverzugs und der Reibleistung ein. Der Kraftstoffmassenstrom geht vorzugsweise als Eingangsparameter in die Berechnung des Zylinderspitzendrucks ein. Die massenbezogene Wärmemenge geht vorzugsweise als Eingangsparameter in die Berechnung des Polytropenexponenten ein. Der Tropfendurchmesser geht vorzugsweise als Eingangsparameter in die Berechnung des Zündverzugs und der Austrittsgeschwindigkeit an der Düse ein. Die Austrittsgeschwindigkeit an der Düse geht vorzugsweise als Eingangsparameter in die Berechnung des Verbrennungsschwerpunkts ein. Der thermodynamische Zustand im Zylinder bei Einspritzbeginn geht vorzugweise als Eingangsparameter in die Berechnung der Verlustleistung über die Zylinderwände, des Zündverzugs, des Zylinderspitzendrucks und der Stickoxidemission ein. Die Gaszusammensetzung geht vorzugweise als Eingangsparameter in die Berechnung der der Stickoxidemission ein. In die Berechnung des Polytropenexponenten geht als weiterer Eingangsparameter vorzugsweise der Kompressions-Einstellbarameter ein. In die Berechnung des Zündverzugs geht als weiterer Eingangsparameter vorzugsweise der Zündverzugs-Einstellbarameter ein. In die Berechnung des Verbrennungsschwerpunkts geht als weiterer Eingangsparameter vorzugsweise der Verbrennungsgeschwindigkeits-Einstellbarameter ein. In die Berechnung der Reibleistung geht als weiterer Eingangsparameter vorzugsweise der Motorreibungs-Einstellbarameter ein.

[00141] Figur 4 zeigt die kaskadenartige Abhängigkeit der einzelnen empirischen Untermodelle zueinander in Bezug auf einen Dieselmotor. Aus der Fig. 4 lässt sich entnehmen, dass ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches sich als besonders geeignet zur Optimierung eines Dieselmotors erwiesen hat, eine fünfstufige Optimierungskaskade aufweist. Der Brennbeginn ist an sich kein empirisches Modell im eigentlichen Sinne, zeigt jedoch, dass der Zündverzug mittelbar auf vier weitere Untermodelle Einfluss hat. Auch der thermodynamische Zustand im Zylinder wird nicht auf der Grundlage eines empirischen Modells berechnet, zeigt jedoch ebenfalls den mittelbaren Einfluss des Polytropenexponenten auf vier weitere Untermodelle.

[00142] Der Polytropenexponent geht über den thermodynamischen Zustand als Eingangsparameter vorzugsweise in die Berechnung des Zündverzugs und des Zylinderspitzendrucks ein. Der Zündverzug geht vorzugsweise in die Berechnung des Verbrennungsschwerpunkts und über den Brennbeginn als Eingangsparameter in die Berechnung der Verlustleistung über die Zylinderwände, des indizierten Mitteldrucks, des Zylinderspitzendrucks und der Stickoxidemission ein. Die Verlustleistung über die Zylinderwände geht als Eingangsparameter vorzugsweise in die Berechnung des indizierten Mitteldrucks ein. Der Verbrennungsschwerpunkt geht als Eingangsparameter vorzugsweise in die Berechnung des Zylinderspitzendrucks und der Stickoxidemission ein. Der Zylinderspitzendruck geht als Eingangsparameter vorzugsweise in die Berechnung der Reibleistung ein.

[00143] Figur 5 zeigt beispielhaft eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kaskadierung von empirischen Modellen, welche sich als besonders vorteilhaft für die Optimierung eines Ottomotors erwiesen hat. Hier weist die Kaskadierung vorzugsweise sechs Ebenen auf.

[00144] Der Polytropenexponent geht als Eingangsparameter vorzugsweise in die Berechnung des Zündverzugs und der Verlustleistung über die Zylinderwände ein. Der Zündverzug geht vorzugsweise in die Berechnung des Verbrennungsschwerpunkts, der Verlustleistung über die Zylinderwände, der Kohlenmonoxidemission, des indizierten Mitteldrucks und der Kohlenwasserstoffemission ein. Der Restgasgehalt geht als Eingangsparameter vorzugsweise in die Berechnung der Verlustleistung über die Zylinderwände, des Zündverzugs, des Verbrennungsschwerpunkts, der Stickoxidemission, der Kohlenmonoxidemission und der Kohlenwasserstoffemission ein. Der Zylinderdruck bei IVC geht als Eingangsparameter vorzugsweise in die Berechnung der Frischluftmasse im Zylinder und des Zündverzugs ein. Der Verbrennungsschwerpunkt geht vor-

zugsweise in die Berechnung der Verlustleistung über die Zylinderwände bei niedriger und hoher Last, des indizierten Mitteldrucks bei niedriger und bei hoher Last, der Kohlenwasserstoffemission, der Kohlenmonoxidemission und der Stickoxidemission ein. Die Verlustleistung über die Zylinderwände bei hoher Last geht als Eingangsparameter vorzugsweise in die Berechnung des indizierten Mitteldrucks bei hoher Last ein. Der indizierte Mitteldruck bei niedriger Last geht als Eingangsparameter vorzugsweise in die Berechnung der Kohlenwasserstoffemission und der Reibleistung ein. Der indizierte Mitteldruck bei hoher Last geht als Eingangsparameter vorzugsweise in die Berechnung der Kohlenwasserstoffemission und der Reibleistung ein.

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL OPTIMIERUNG EINES DIESELMOTORS

EINGANGSPARAMETER IN VERFAHREN

[00145] Wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Optimierung eines Dieselmotors verwendet, können die als (erste) Eingangsparameter verwendeten physikalischen Größen vorzugsweise in fünf Kategorien eingeteilt werden. Dies sind geometrische Daten in Bezug auf die Brennkraftmaschine, Betriebspunkt-relevante Daten, um den jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine zu definieren, Luftpfad-relevante Daten, d.h. Daten, die die Luftführung und auch den Zustand der Umgebungsluft charakterisieren. Eine weitere Kategorie sind vorzugsweise Kraftstoffsystemrelevante Daten, die insbesondere die Einspritzung definieren und verbrennungsrelevante Daten, welche die Steuerung der Verbrennung bei der betroffenen Brennkraftmaschine definieren.

PHYSIKALISCHE MODELLE

[00146] Bei der Optimierung eines Dieselmotors lassen sich die verwendeten physikalischen Zusammenhänge vorzugsweise im Wesentlichen in neun physikalische Modelle einteilen, welche den Kraftstoffmassenstrom, die Gaszusammensetzung im Zylinder, die massenbezogene Wärmemenge, die Kolbenbewegung, den thermodynamischen Zustand im Zylinder, die Austrittsgeschwindigkeit aus einer Düse, den Tropfendurchmesser, den Brennbeginn sowie die Abgastemperatur angeben.

[00147] Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele zur Berechnung einiger dieser physikalischen Modelle wenigstens in den Grundzügen angegeben.

GASZUSAMMENSETZUNG IM ZYLINDER

[00148] Die Kenntnis der richtigen Gaszusammensetzung im Zylinder, insbesondere der Sauerstoffkonzentration, ist beispielsweise für die Berechnung der Stickoxidemission der Ladung eine wichtige Einflussgröße.

[00149] Um auch den Einfluss der Luftfeuchtigkeit näherungsweise in den Modellen zu berücksichtigen, wird die Sauerstoffkonzentration vorzugsweise nicht nur als Funktion der AGR-Rate und des Luftüberschusses angegeben, sondern auch über die Luftfeuchtigkeit.

[00150] Die Sauerstoffkonzentration wird vorzugsweise als Funktion von Lambda, AGR-Rate und Luftfeuchtigkeit wie folgt berechnet und wird im Weiteren als Eingangsgröße für verschiedene Modelle verwendet:

Xoz = FA, AGR, x)

Hierbei sind:

Xo2 =] Volumen-Anteil an Sauerstoff A[-] Luftüberschuss

AGR [%] AGR-Rate

x[-] Luftfeuchtigkeit

MASSENBEZOGENE WÄRMEMENGE

[00151] Die massenbezogene Wärmemenge bezeichnet insbesondere die auf die gesamte Zylindermasse bezogene chemisch gebundene Energie des verwendeten Kraftstoffs. Dieser Parameter wird im Zuge der empirischen Modellbildung für den Polytropenexponenten näherungsweise als Ersatzkenngröße für das während der Verbrennung des vorangegangenen Zyklus herrschende Temperaturniveau verwendet. Je größer die Ladungsmasse bei gleicher Kraftstoffmenge ist, desto geringer ist dabei das Temperaturniveau. Die massenbezogene Wärmemenge wird nach folgender Gleichung berechnet:

G = Aus Gleichung (I) ges Hierbei sind: . kg Mes [2] Kraftstoffmassenstrom Mges [2] gesamter Zylindermassestrom inkl. Restgas Hy [£] unterer Heizwert q =] massenbezogene freigesetzte Wärmemenge KOLBENBEWEGUNG

[00152] Das physikalische Modell der Kolbenbewegung besteht im Wesentlichen aus drei Untermodellen, welche die mittlere Kolbengeschwindigkeit, die Kolbengeschwindigkeit bei Einspritzbeginn sowie das Verdichtungsverhältnis im Zylindervolumen bei Einspritzbeginn angeben.

[00153] Die mittlere Kolbengeschwindigkeit ist vorzugsweise eine Eingangsgröße für das Modell zur Berechnung von Motorreibung und wird wie folgt berechnet:

NS

Un = 35000

Hierbei sind:

n[1/min] Drehzahl

s[mm] Hub

Um [=] mittlere Kolbengeschwindigkeit

[00154] Die Kolbengeschwindigkeit ist ebenfalls Eingangsparameter in wenigstens ein empirisches Modell. Sie wird nach folgender Formel berechnet:

. Tr . VrEB = 2 mw nr: (sinpzs + sin2@z8)

Hierbei sind:

rim] Kurbelradius

L{m] Pleuellänge

VEKEB [=] Kolbengeschwindigkeit bei Einspritzbeginn OxB[°KW] Kurbelwinkel bei Einspritzbeginn

THERMODYNAMISCHER ZUSTAND IM ZYLINDER

[00155] Das effektive Verdichtungsverhältnis, das insbesondere zur Bestimmung des thermodynamischen Zustands im Zylinder nötig ist, wird nach folgenden Formeln berechnet:

— Vn+Ve = — oder — Ya C E-1 Hierbei sind: Vu [m?] Hubvolumen eines Zylinders V.[m*] Verdichtungsvolumen eines Zylinders e[-] Verdichtungsverhältnis

[00156] Ist das Kompressionsvolumen bekannt, können Zylindervolumen und effektives Verdichtungsverhältnis bei Beginn der Haupteinspritzung berechnet werden. Das Zylindervolumen ist nötig, um die Temperatur unter der Annahme eines idealen Gases mittels der idealen Gasgleichung bei Einspritzbeginn zu berechnen:

2 SkEB=TX|1+ - — COS@EB — [(*) — sinn]

Sxep Im] Kolbenweg bei Einspritzbeginn d?.

VnEB = — * SkEB

Hierbei sind:

Vaee Im?) Hubvolumen bei Einspritzbeginn

d[m] Bohrung

VrotaieB = VneB + Ve Vrotaısg [m*] Zylindervolumen bei Einspritzbeginn

[00157] Hieraus ergibt sich für das effektive Verdichtungsverhältnis bei Einspritzbeginn wie folgt:

Egg1-] Effektives Verdichtungsverhältnis bei Einspritzbeginn

[00158] Der thermodynamische Zustand im Zylinder, im Folgenden dargestellt bei Einspritzbeginn, wird durch Druck und Temperatur definiert. Bei bekanntem Volumen bei Einspritzbeginn kann die Masse im Zylinder durch die gemessene Luftmasse sowie der gemessenen AGR-Rate unter der Annahme eines idealen Lastwechsels ohne Spülen und mit konstantem Restgasgehalt berechnet werden. Durch Umformung der Gasgleichung und durch Annahme eines idealen Gases erhält man den formalen Zusammenhang für die Temperatur bei Einspritzbeginn wie folgt:

__ PZyLEB * VTotalEB

Tzyı EB = m7R

Hierbei sind:

Dzyı EB [Pa] Druck bei Einspritzbeginn Tzyı eBLK] Temperatur bei Einspritzbeginn m[kg] gesamte Masse im Zylinder

R =] ideale Gaskonstante

[00159] Um die Auswirkung unterschiedlicher Durchflussraten der Einspritzdüse in unterschiedlicher Spritzlochanzahl auf die einzelnen Brennkraftmaschinen richtig wiederzugeben, werden

spezifische Größen verwendet. Die Charakteristik des Einspritzstrahls wird durch die Austrittsgeschwindigkeit des Kraftstoffs aus der Düse sowie den Tropfendurchmesser beschrieben. Diese werden vorzugsweise in Abhängigkeit vom Druck im Zylinder, vom Einspritzdruck und vom Lochdurchmesser laut nachfolgenden Formeln berechnet. Die Austrittsgeschwindigkeit des Kraftstoffs aus der Düse wird dabei näherungsweise verlustfrei nach Bernoulli für eine inkompressible stationäre Strömung berechnet:

_ [2:(PraiuPzyı EB) Vaus PKS

Hierbei sind: Pzyı zB[Pa] Zylinderdruck bei Einspritzbeginn Drau [Pa] Kraftstoffeinspritzdruck

Prs = | Kraftstoffdichte

m? Vans [=] Austrittsgeschwindigkeit TROPFENDURCHMESSER

[00160] Für die Berechnung des Tropfendurchmessers wird der Düsenlochdurchmesser ben6tigt, welcher anhand der effektiven Düsenlochfläche ermittelt wird. Der Wert für einen typischen Durchflussbeiwert für die Düsenlöcher wird vorzugsweise mittels einer Annahme bestimmt, wobei die Düsenlochfläche und der Düsenlochdurchmesser sich vorzugsweise wie folgt berechnen lassen.

V-prs

Aeff_DL FF pr |2:0xs-(Drai-Pzy1 EB)

Hierbei sind: Aeff_DL Düsenlochfläche V =] Düsendurchfluss laut Hersteller no.L-] Anzahl der Düsenlöcher Daraus folgt: Apı = V-prs

@pL'NDL [2:0xs(Prai-Pzy1 EB) Hierbei sind: Apı[m?] effektiver Strömungsquerschnitt bzw. Düsenlochdurchmesser XpL Durchflussbeiwert

Daraus folgt:

dp = 2.4 DL |) ADL

dp, Im] Düsenlochdurchmesser

[00161] Der Tropfendurchmesser wird schließlich wie folgt berechnet:

12.392 - dpp*44 . pr6%42. (gs Vrs)?28

T . (Drait — DzyLEB) A PL

0.28

d, Tropfendurchmesser

dp_[m] Düsenlochdurchmesser

Pks 2] Kraftstoffdichte

OKs [=] Oberflächenspannung des Kraftstoffs VEKSs =] kinematische Viskosität des Kraftstoffs PL [2] Ladungsdichte bei Einspritzbeginn

Pzyı eBIkPa] Zylinderdruck bei Einspritzbeginn Drau [kPa] Kraftstoffeinspritzdruck d;7[m] mittlerer Tropfendurchmesser

EMPIRISCHE MODELLE:

[00162] Bei der Optimierung eines Dieselmotors mit dem erfindungsgemäßen Verfahren enthält eine Kaskade aus empirischen Untermodellen des Abschnitts C aus Fig. 1 vorzugsweise elf verschiedene empirische Modelle und fünf Kaskadenstufen, wie in Fig. 4 dargestellt. Wird die Reibleistung, welche nicht zum originären Verbrennungsvorgang gehört, ausgeklammert, so kann ein Verbrennungsvorgang im Wesentlichen vollständig durch sechs empirische Untermodelle in lediglich vier Kaskadenstufen abgebildet werden.

[00163] Im Folgenden wird für einige dieser empirischen Modelle erläutert, welche Eingangsparameter in diese eingehen. Die Eingangsparameter können hierbei im Wesentlichen in drei Gruppen eingeteilt werden. Physikalische Größen, welche unmittelbar in die empirischen Modelle eingehen, Parameter, welche anhand von physikalischen Modellen berechnet werden, Parameter, welche anhand von anderen empirischen Modellen berechnet werden und gegebenenfalls maschinenspezifische Einstellbarameter. Diese werden vorzugsweise eingeführt, da eine Korrektur der Modellausgänge, die lediglich über Faktoren oder Konstanten erfolgt, in vielen Fällen nicht zweckmäßig ist. Den Einstellbarametern liegen vorzugsweise physikalisch basierte Effekte zugrunde, die aber aufgrund ihrer Komplexität schwer zu berücksichtigen sind. Ein Beispiel hierfür ist die Interaktion zwischen Einspritzstrahl und Kolbenmulde während der Verbrennung.

[00164] Eine beispielhafte Erstellung von physikalischen Modellen wird im Folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 6 erläutert.

[00165] Bei der Erstellung der empirischen Modelle wird zunächst versucht, möglichst viele Eingangsparameter durch physikalische Modelle zu berechnen, um die Anzahl an Eingängen in die empirischen Modelle gering zu halten. Dies erhöht die Allgemeingültigkeit des Verfahrens zur Optimierung, da die auf Versuchen mit anderen Brennkraftmaschinen basierenden empirischen Untermodelle möglichst begrenzt gehalten werden können. Weiterhin werden alle Eingangsparameter in die empirischen Modelle vorzugsweise so gewählt, dass alle zu untersuchenden Brennkraftmaschinen mit ein und demselben Parameter abgebildet werden können.

[00166] In einem ersten Schritt werden Messdaten von einem Satz verschiedener bereits kalibrierter Motoren, vorzugsweise mit demselben Brennverfahren (unterschiedliche Sätze für Dieselmotoren und Ottomotoren) und ähnlicher Motorgeometrie, bei Prüfstandsversuchen aufgezeichnet.

[00167] Ein Satz von Dieselmotoren kann beispielsweise neun verschiedene Motoren mit einer Hubraumspreizung von 0,51/Zylinder bis 2,51/Zylinder umfassen. Eine zur Erstellung der empirischen Modelle geeignete Anzahl an Messpunkten liegt bei etwa. 10.000 Messpunkten, wobei jeder Messpunkt, welcher vorzugsweise durch Drehzahl und Drehmoment definiert wird, eine Vielzahl von zu messenden Messgrößen aufweist.

[00168] In einem zweiten Schritt werden die zur Optimierung benötigten Modellausgänge definiert, welche nicht schon durch physikalische Modelle berechnet werden können, beispielsweise Stickoxid-Emissionen, Leistung, Abgastemperatur, etc.

[00169] Für jede dieser Modellausgänge werden empirische Modelle, vorzugsweise mittels Regressionsanalysen, erstellt, z.B. auf der Basis von polynomischen Modellansätzen. Dabei werden vorzugsweise Polynommodelle 2. Ordnung verwendet. Die Koeffizienten dieser Regressionsmodelle werden vorzugsweise durch Bestimmung der kleinsten Fehlerquadrate gebildet. Die Modelle haben im Wesentlichen folgende Struktur:

— . 2 . 2 . . ... Y= X U1,trans +X2 U2 trans + X1,2 U1,trans U2,trans + +C ())

[00170] Dabei werden die Modelleingänge nach folgender Gleichung transformiert (Student Transformation).

UÜitrans — ZZ Hierbei sind: Uitrans transformierter Modelleingang Var; Modelleingang Var; Mittelwert aller Messwerte dieses Modelleingangs Oyvar Standardabweichung der Messwerte dieses Modelleingangs

[00171] Durch die Transformation der Modelleingänge haben alle Modellkoeffizienten die gleiche Größenordnung - daher gibt der Betrag der Koeffizienten Auskunft über den Einfluss auf den Modellausgang. Je größer der Koeffizient desto größer ist der Einfluss. Dies kann vorzugsweise genutzt werden, um die wichtigen Modelleingänge zu bestimmen.

[00172] Die Koeffizienten x1, x2, x1,2 werden so bestimmt, dass alle Motoren des betrachteten Satzes mit den gleichen Koeffizienten modelliert werden können.

[00173] Um das Verhalten verschiedener Motoren mit den gleichen Koeffizienten x+, x2, X1,2 berechnen zu können, werden die Modelleingänge u, u2 vergleichbar gemacht. Insbesondere werden die Modelleingänge hierfür durch eine physikalische Umrechnung in motorunabhängige Größen normiert. Als Normierungsfaktor kommt beispielsweise die jeweilige Hubraumgröße der einzelnen Motoren in Frage.

[00174] Nachfolgend wird ein vorzugsweise empirisches Modell zur Berechnung der volumsspezifischen indizierten Hochdruckleistung dargestellt. Zuerst werden die Modelleingänge transformiert und in weiterer Folge die volumenspezifische Hochdruckleistung berechnet. Die Variablen A bis K stellen die transformierten Modellkoeffizienten dar.

[00175] vol. spez. Kraftstoffleistung_trans = (vol. spez. Kraftstoffleistung-47.6)/24.3 [00176] Brennbeginn HE_trans = (Brennbeginn HE-(-1.6))/5.1

[00177] Durchbrenndauer_trans = (Durchbrenndauer-17.7)/5.0

[00178] vol. spez. Wandwärmestrom_trans = (vol. spez. Wandwärmestrom-8.1)/4.1

[00179] Vol. spez. indizierte Hochdruckleistung = vol. spez. Kraftstoffleistung_trans *2*A+ Brennbeginn HE_trans ’2*B+ Durchbrenndauer_trans ”2*C+ vol. spez. Kraftstoffleistung_trans * Brennbeginn HE_trans *D+ vol. spez. Kraftstoffleistung_trans * vol. spez. Wandwärmestrom_trans*E+ Brennbeginn HE_trans * Durchbrenndauer_trans *F+ Brennbeginn HE_trans * vol. spez. Wand-

wärmestrom_trans *G+ Durchbrenndauer_trans * vol. spez. Wandwärmestrom_trans *H+ vol. spez. Kraftstoffleistung_trans *I+ Brennbeginn HE_trans *J+ Durchbrenndauer trans *K+ vol. spez. Wandwärmestrom_trans *L+const

[00180] Die Modellqualität der gefundenen empirischen Modelle wird in einem weiteren Schritt vorzugsweise statistisch bewertet, insbesondere indem das Bestimmtheitsmaß berechnet wird. Ergibt sich eine ausreichende Modellqualität, wird noch einmal die Plausibilität der Modelle überprüft, wie weiter unten erläutert.

[00181] Ergibt sich keine ausreichende Modellqualität, wird überprüft, ob die Modellqualität durch die Einführung eines motorspezifischen Einstellbarameters EP als weiteren Modelleingang auf ein zufriedenstellendes Niveau verbessert werden kann.

[00182] Ist dies der Fall, so wird dem empirischen Modell ein Einstellbarameter EP hinzugefügt.

[00183] Kann die Modellqualität bzw. das Bestimmtheitsmaß durch einen motorspezifischen Einstellpbarameter EP nicht signifikant erhöht werden, muss die Auswahl der Modelleingänge und/oder die mathematische Formulierung des Modellansatzes überprüft werden. Hierbei werden vorzugsweise zusätzliche und/oder andere Modelleingänge für die empirische Modellbildung verwendet.

[00184] Durch die Definition eines Einstellbarameters EP als zusätzlichen Modelleingang können einige der verwendeten empirischen Modelle motorspezifisch angepasst werden. Mittels der Einstellpbarameter EP können dabei motorspezifische Eigenheiten berücksichtigt werden. Diese Eigenheiten ergeben sich beispielsweise durch physikalische Effekte, z.B. die motorspezifische Interaktion zwischen Einspritzstrahl und Kolbenmulde oder auch das Einspritzstrahlverhalten in Abhängigkeit der Düsenlochgeometrie.

[00185] Empirischen Polynommodelle weisen dann beispielsweise folgende Form auf: Y= X" ULtrans“ +X2 Uo trans“ + X41,2 * U1,trans * U2,trans He 3 EP+c (Il)

[00186] Das Verwenden der Einstellbarameter als zusätzlichen Modelleingang in die Polynome hat den großen Vorteil, dass Interaktionen von Einstellbarameter und Modelleingangsparameter erfolgen können, und die Einstellbarameter daher keine reinen Offsets oder Faktoren sind. Sie ermöglichen für das erfindungsgemäße Optimierungsverfahren eine einfache Abstimmung der Modelle auf neue Motoren.

[00187] Durch die geringe mathematische Komplexität dieser Modelle können insbesondere schnelle Rechenzeiten realisiert werden.

[00188] Bei einer nachfolgenden Plausibilitätsbewertung der gefundenen empirischen Modelle werden insbesondere die Modellabhängigkeiten von den einzelnen Parametern untersucht, hierbei müssen die Wirkrichtungen vorzugsweise im Einklang mit bekannten Phänomenen aus der Literatur bzw. im Einklang mit der Erfahrung aus bereits durchgeführten Optimierungen sein. Ergibt die Plausibilitätsbewertung, dass sich der Modellausgang bei Variation eines oder mehrerer Modelleingänge nicht, wie aus der Literatur bekannt bzw. im Einklang mit der Erfahrung ändert, werden auch hier vorzugsweise die Eingänge oder die Formulierungen der empirischen Modelle selbst verändert.

[00189] Wird abschließend eine zufriedenstellende Modellqualität erreicht, wird untersucht, ob die verwendeten Modelleingänge direkt aus bekannten Parametern bestimmt werden können 0der ob zur Bestimmung der Modelleingänge ein weiteres vorgelagertes Untermodell verwendet werden muss. Dieses kann physikalisch oder generisch empirisch sein.

[00190] Die Erstellung eines erfindungsgemäßen generischen semi-physikalischen Verbrennungsmodells ist dann abgeschlossen, wenn das Verbrennungsmodell nur noch Modelleingänge aufweist, deren Werte bekannt oder vorgegeben sind, beispielsweis Parameter, welche durch die Konstruktion der Brennkraftmaschine bedingt sind oder von deren Steuerung vorgegeben werden. Damit ist die Erstellung abgeschlossen.

PARAMETRIERUNG DES VERBRENNUNGSMODELLS FÜR DEN ZU OPTIMIERENDE MOTOR

[00191] Als Ausgangswert für die Einstellbarameter bei einem zu optimierenden Motor wird vorzugsweise das arithmetische Mittel der bei der Modellerstellung für die einzelnen Motoren 1,2,3 verwendeten Einstellbarameter verwendet.

[00192] Für die weitere Anpassung der Einstellbarameter auf die zu optimierende Maschine wird mindestens ein Messpunkt, bestehend aus verschiedenen Messgrößen, benötigt. Dabei wird für jedes empirische Modell, welches einen Einstellbarameter als Modelleingang aufweist, ein Vergleich zwischen berechneten und gemessenen Wert durchgeführt und der Einstallbarameter so adaptiert, dass die Abweichung zwischen Messung und Rechnung minimal ist. Eine neuerliche Bestimmung der Koeffizienten x, x2, X1,2 ist dagegen nicht notwendig.

[00193] Im Folgenden werden für das dargestellte Ausführungsbeispiel eines Optimierungsverfahrens für einen Dieselmotor neun verschiedene empirische Modelle mit ihren Eingangsparametern beschrieben, welche sich als besonders geeignet zur Beschreibung des Verbrennungsvorgangs in Dieselmotoren erwiesen haben, nämlich empirische Modelle für den Polytropenexponent, den Zündverzug, den Verbrennungsschwerpunkt, die Verlustleistung über die Zylinderwände bzw. Wandwärmestrom, den induzierten Mitteldruck der Hochdruckschleife, die Reibleistung, den Zylinderspitzendruck, die Stickoxidemissionen und die Rußemissionen.

POLYTROPENEXPONENT

[00194] Der thermodynamische Zustand im Zylinder bei Einspritzbeginn und damit der Polytropenexponent hat Einfluss auf Zündverzug, das Temperaturniveau und den Spitzendruck der Verbrennung. Die Berechnung von Temperatur und Druck bei Einspritzbeginn ist daher unerlässlich. Diese hängen entscheidend von Wärmeübergang während der Kompression, Verdichtungsverhältnis sowie Druck und Temperatur bei Verdichtungsbeginn und daher vom Zustand im Einlasssammler ab. Die Ermittlung der genauen Temperatur beim Schließen des Einlassventils ist nur schwer realisierbar, da bereits kleine Abweichungen im gemessenen Zylinderdruck einen großen Fehler der Temperatur bedeuten. Die Indizierung ist jedoch für die Messung von hohen Zylinderdrücken kalibriert, was die Messgüte bei niedrigen verschlechtert. Der Druck bei Einspritzbeginn wird daher direkt vom Druck im Einlasssammler und nicht über den Druck bei Einlassventilschluss berechnet. Die Effekte beim Einströmen durch die Ventile werden, wie bereits erwähnt, durch den Kompressionseinstellbarameter mit berücksichtigt.

[00195] Aufgrund der Rechenzeitanforderungen sind Kurbelwellenwinkel-aufgelöste Ansätze zur Berechnung der Wandwärmeverluste in den Kanälen und während der Kompression nicht anwendbar. Die Kompression eines Verbrennungsmotors ist eine polytrope Zustandsänderung, aus diesem Grund wird für die Berechnung des Druckes bei Einspritzbeginn ein empirisches Modell für den Polytropenexponenten der Polytropenbeziehung erstellt. Ein größerer Polytropenexponent führt zu einem höheren Druck am Ende der Kompression.

[00196] Für eine möglichst physikalische Abbildung ist die Annahme eines konstanten Polytropenexponenten nicht geeignet, da die Temperatur damit 10°XW vor dem oberen Totpunkt und 10°KXW nach dem oberen Totpunkt gleich wäre. In Wirklichkeit werden sowohl Temperatur als auch Druck nach dem oberen Totpunkt durch die höheren Wandwärmeverluste geringer sein, was durch die Modellierung berücksichtigt wird.

[00197] Die Auswahl der Eingangsparameter für ein bevorzugtes empirisches Modell für den Polytropenexponenten erfolgt vorzugsweise wie folgt. Der Wärmeübergang während der Kompression beeinflusst den Ladungszustand bei Einspritzbeginn und daher den Polytropenexponenten. Der Wärmestrom kann mit folgendem Zusammenhang beschrieben werden:

Q = a*A*AT*At

Hierbei sind:

Ö[W] Wärmestrom

a = K] Wärmeübergangskoeffizient A[m?] Oberfläche

AT[K] Temperaturdifferenz

At[s] Zeitschrift

[00198] Daraus ist ersichtlich, dass der Wärmestrom bei At>0 ebenfalls gegen Null geht. Daher muss bei steigender Drehzahl der Wärmeübergang geringer und somit der Polytropenexponent größer werden. Bei konstanter Drehzahl hat der Einspritzzeitpunkt wie bereits erwähnt ebenfalls Einfluss auf die Zeit AZ, die für den Wärmeübergang zur Verfügung steht. Aus diesem Grund steigt der Polytropenexponent auch bei sehr frühen Einspritzbeginnen an. Aus diesen Überlegungen ergeben sich die beiden ersten vorzugsweisen Parameter für das Modell für den Polytropenexponenten, nämlich Drehzahl und Einspritzbeginn.

[00199] Weiterhin ergeben sich durch die Kompression höhere Gastemperaturen als die Oberflächentemperaturen der Brennraumwände. Aus diesem Grund steigt durch eine höhere Einlasssammlertemperatur und der daraus resultierenden größeren Temperaturdifferenz der Wandwärmeverlust an, was eine Verringerung des Polytropenexponenten zur Folge hat. Daher wird vorzugsweise auch die Einlasssammlertemperatur als Eingangsgröße definiert.

[00200] Das Oberflächentemperaturniveau wird zum einen vorzugsweise durch die massenbezogene freigesetzte Wärmemenge, die nach Gleichung (I) berechnet wird, als weitere Eingangsgröße berücksichtigt. Zum anderen wird diese durch einen Polytropenexponenten-Einstellparameter berücksichtigt, welcher in das empirische Modell eingeführt wird.

[00201] Dieser Einstellbarameter ist direkt in das empirische Modell für den Polytropenexponenten integriert und bildet unterschiedliche Wandwärmeverluste bei der Kompression sowie Strömungsverluste in den Kanälen und/oder Blow-by-Effekte ab. Der thermodynamische Zustand bei Einspritzbeginn wird weiterhin nicht mit dem effektiven Verdichtungsverhältnis ab Einlassschluss, sondern mit der Verdichtung ausgehend vom unteren Totpunkt berechnet. Dieser Fehler wird ebenfalls mit dem Polytropenexponent-Einstellbarameter kompensiert.

ZÜNDVERZUG

[00202] Der Zündverzug beeinflusst durch die Zeit, die für eine Gemischaufbereitung zur Verfügung steht, den Verbrennungsablauf. Der Anteil der vorgemischten Verbrennung sowie die Brenndauer bis zum Schwerpunkt der Verbrennung hängen daher entscheidend vom Zündverzug ab. Während der Zündverzug bei hoher Last kurz und einigermaßen leicht abzuschätzen ist, wird dies im Teillastbereich schwieriger. Für eine Abschätzung von Zündaussetzern, die mit einem Mittelwert-Modell nicht direkt berechnet werden können, ist der berechnete Zündverzug ebenfalls von Bedeutung. UÜberschreitet der berechnete Zündverzug eine Grenze von ca. 3 Millisekunden, so kann davon ausgegangen werden, dass die eingebrachte Kraftstoffmenge nicht mehr vollständig verbrannt wird.

[00203] Der Zündverzug wird vorzugsweise als Zeitdifferenz zwischen Einspritzbeginn und Verbrennungsbeginn definiert. Das hier erstellte Zündverzugsmodell gibt diesen in Grad Kurbelwinkel aus. Um die Korrelation mit der Zeitdifferenz herzustellen sowie als Maß für die Turbulenz bei Einspritzbeginn im Brennraum ist Drehzahl vorzugweise ein Eingangsparameter in ein empirisches Modell für den Zündverzug.

[00204] Ein wichtiger Einflussparameter auf den Zündverzug ist die während des Einspritzens des Kraftstoffs herrschende Gastemperatur im Zylinder. Je höher diese ist, desto schneller verdampft der Kraftstoff und die Selbstzündung kann erfolgen. Daher ist die Gastemperatur im Zylinder vorzugsweise ebenfalls ein Eingangsparameter.

[00205] Die Qualität der Gemischaufbereitung, und damit die Tropfengröße, hat ebenfalls Einfluss auf den Zündverzug. Kleinere Tropfendurchmesser erhöhen das Verhältnis von Oberflächen zu Volumen, was die Verdampfung des Kraftstoffes und somit die Selbstzündung beschleunigt.

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Daher ist auch der Tropfendurchmesser vorzugsweise ein Eingangsparameter.

[00206] Die durch die Abgasrückführung geringere Sauerstoffkonzentration im Zylinder verzögert den Verbrennungsbeginn. In der Realität kann aber bei einer Erhöhung der AGR-Rate eine Verkürzung des Zündverzugs beobachtet werden. Dies ist dadurch begründet, dass höhere Abgasrückführraten meist mit einer Erhöhung des Temperaturniveaus verbunden sind, deren Einfluss gegebenenfalls größer ist als der der geringere Sauerstoffkonzentration. Daher ist auch die Sauerstoffkonzentration vorzugsweise ein Eingangsparameter.

[00207] Ein weiterer Einflussfaktor ist die zeitliche Veränderung des Zustandes im Zylinder bei Beginnen der Kraftstoffeinspritzung. Während bei einer Einspritzung vor dem oberen Totpunkt die Zündbedingungen bis zum oberen Totpunkt immer besser werden, verschlechtern sich die Zündbedingungen bei Einspritzung nach dem oberen Totpunkt mit fortschreitendem Kurbelwinkel. Je höher die Drehzahl, desto schneller ändert sich der Zustand. Bei einer Kurbelwellenwinkelaufgelösten Berechnung des Zündverzugs wird dies durch Integrieren der einzelnen Zeitschritte berücksichtigt. Als Ersatzgröße dafür wird erfindungsgemäß vorzugsweise die Kolbengeschwindigkeit bei Beginn der Einspritzung als Eingangsparameter verwendet.

[00208] Der Strahlaufbruch ist neben dem im Zylinder herrschenden Zustand auch von der Lochgeometrie der Einspritzdüse abhängig. Eine detaillierte Berechnung der Strahlaufbereitung ist ohne Mehrzonenmodell nicht möglich und diese wiederum aus Rechenzeitgründen für die Anwendung gemäß dem Ausführungsbeispiel nicht zweckmäßig. Daher wird der Einfluss vom Strahlaufbruch beim Verlassen der Einspritzdüse durch den Einstellbarameter für den Zündverzug eingestellt. Auch Kraftstoffeigenschaften wie Cetan-Zahl oder das Siedeverhalten können genauso wie Unterschiede in den Flanken des Einspritzverlaufes vorzugsweise über den Zündverzug-Einstellpbarameter berücksichtigt werden.

VERBRENNUNGSSCHWERPUNKT

[00209] Der Verbrennungsschwerpunkt ist in der Entwicklung von Verbrennungsmotoren eine häufig verwendete Kenngröße, um die Verbrennung zu charakterisieren. Um die Verwendbarkeit des Verbrennungsmodells in der Praxis zu gewährleisten, sollte der Verbrennungsschwerpunkt vorzugsweise bestimmt werden. Des Weiteren ist dieser ein Zwischenergebnis, auf dem andere Teile des Verbrennungsmodells vorzugsweise aufbauen.

[00210] Die erste Phase der Verbrennung bleibt vom Ladedruck im Allgemeinen nahezu unbeeinflusst. Dies beinhaltet, dass das Luftverhältnis X nur einen geringen Einfluss auf die Lage des Verbrennungsschwerpunktes hat. Dies trifft jedoch nicht für die gesamte Dauer der Verbrennung zu, auf diese hat das Luftverhältnis sehr wohl Einfluss. Ein höheres Luftverhältnis hat eine kürzere Dauer der gesamten Verbrennung zur Folge. Dem Verlauf der Verbrennung folgend wird vorzugsweise nicht der Verbrennungsschwerpunkt direkt berechnet sondern die Verbrennungsdauer vom Brennbeginn bis zum Verbrennungsschwerpunkt. Diese wird hier analog zum Zündverzug in Grad Kurbelwinkel berechnet. Die Motordrehzahl ist daher vorzugsweise der erste Eingangsparameter und ist ein Maß für die durch den Ladungswechsel erzeugte Turbulenz.

[00211] Einer der größten Einflüsse auf die Dauer der Diffusionsverbrennung hat die Einspritzdauer selbst, da die Diffusionsverbrennungsgeschwindigkeit nicht von der schnellen chemischen Reaktionsgeschwindigkeit sondern von den Gemischaufbereitungsvorgängen abhängt - und ist daher vorzugsweise der zweite Eingangsparameter. Während der Einspritzung ist diese eine wichtige Größe, und die Gaszusammensetzung tritt in den Hintergrund.

[00212] Bei der vorgemischten Verbrennung hängt die Verbrennungsgeschwindigkeit im Gegensatz zur Diffusionsverbrennung nicht von Mischungsvorgängen des Sprays sondern rein von der chemischen Reaktionsgeschwindigkeit ab. Diese wiederum ist eine Funktion des thermodynamischen Zustandes und der Gaszusammensetzung im Zylinder. Vor allem bei der hauptsächlich vorgemischten Verbrennung der Teillast ist die Einspritzdauer weniger bedeutend und die Gaszusammensetzung wichtiger. Der Anteil der vorgemischten Verbrennung und die Durchbrenndauer hängen demnach vom Zündverzug ab, welcher daher vorzugsweise einer der Eingangspa-

rameter ist.

[00213] Die Gemischaufbereitungsvorgänge werden in hohem Maß von der durch den Strahl eingebrachten Energie und der Tröpfchengröße bestimmt. Aus diesem Grund wird die Austrittsgeschwindigkeit des Kraftstoffs aus der Düse vorzugsweise als weiterer Eingangsparameter verwendet. Eine höhere Austrittsgeschwindigkeit führt bei konstanter Einspritzdauer zu einer schnelleren Verbrennung.

[00214] Die AGR-Rate und damit die Sauerstoffkonzentration haben ebenfalls Einfluss auf die Durchbrenndauer. Durch die Abgasrückführung ist die Verfügbarkeit von Sauerstoff geringer und die Verbrennung langsamer. Daher ist auch die Sauerstoffkonzentration vorzugsweise ein Eingangsparameter.

[00215] Die Durchbrenndauer hängt neben dem Gaszustand im Zylinder (z.B.: AGR-Rate) auch von der Brennraumgeometrie und der Interaktion des Brennraums mit dem Einspritzstrahl ab. Verschiedene Brennraum - Düsen - Kombinationen unterscheiden sich in ihrer Durchbrenngeschwindigkeit, was Auswirkungen auf Emissionen und Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors hat (bspw. Interaktion des Einspritzstrahls mit der Kolbenmulde). Dieser Einfluss wird genauso wie Unterschiede im Einspritzverlauf oder Strahlkegelwinkel vorzugsweise mit dem Verbrennungsschwerpunkt-Einstellbarameter abgebildet, da die Interaktion in einem 0-dimensionalen Modell nicht berechnet werden kann. Der Parameter wird vorzugsweise direkt in das Modell integriert, um die unterschiedlichen Auswirkungen in Abhängigkeit vom Betriebspunkt richtig wiederzugeben.

[00216] Das Nacheinspritzen von Kraftstoff hat eine Verschiebung des Verbrennungsschwerpunktes in Richtung spät zur Folge. Die Verschiebung wird durch die Differenz zwischen gemessenem und dem berechneten Verbrennungsschwerpunkt für die Haupteinspritzung ermittelt und wird in weiterer Folge modelliert werden. Eingangsparameter in das Modell für die Verbrennungsschwerpunktverschiebung sind vorzugsweise Brenndauer des ersten Teils der Hauptverbrennung, Drehzahl und spezifische Kraftstoffmenge der Nacheinspritzung.

WANDWÄRMESTROM

[00217] Die Berechnung der über die Brennraumwände abgegeben Wärmemenge, d.h. Verlustleistung über die Zylinderwände bzw. Wandwärmestrom, ist notwendig, um beispielsweise in einem darauffolgenden Modell den indizierten Mitteldruck der Hochdruckschleife berechnen zu können. Der Modellausgang ist vorzugsweise eine spezifische bzw. normierte Wärmemenge in KW pro Liter Hubraum.

[00218] Dem Grundprinzip der Verbrennungskraftmaschine entsprechend ist die Höhe der abgegebenen Energien wie Leistung, Abgasenthalpie und Wandwärmestrom von der eingebrachten volumenspezifischen Kraftstoffleistung abhängig, dem vorzugsweise ersten Eingangsparameter des empirischen Modells.

[00219] Das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen ist entscheidend für den Wirkungsgrad einer Verbrennungskraftmaschine verantwortlich. Großmotoren haben deutlich höhere Wirkungsgrade als kleine PKW-Dieselmotoren. Dafür verantwortlich ist unter anderem der geringere Wärmeübergang durch das geringere Verhältnis von Oberflächen zu Volumen bei großvolumigen Motoren. Um die Verbrennung von PKW Motoren mit dem gleichen empirischen Modell berechnen zu können wie die von großen Nutzfahrzeugmotoren, ist daher vorzugsweise das Oberflächen-Volumen-Verhältnis ein weiterer Eingangsparameter.

[00220] Der Wandwärmestrom hängt neben Oberfläche und Wärmeübergangskoeffizient von der Temperaturdifferenz zwischen Gas und Brennraumwand ab. Daher ist auch bei diesem Mittelwertverbrennungsmodell das Temperaturniveau von maßgeblicher Bedeutung. Dies ist neben der Lage der Verbrennung auch von der massenbezogenen Wärmemenge abhängig. Die gleiche Kraftstoffmenge bei unterschiedlichen Ladungsmassen im Zylinder führt zu unterschiedlich hohen Verbrennungstemperaturen. Daraus ergibt sich der Lambdaeinfluss auf den Wandwärmeübergang, welcher folglich vorzugsweise ebenfalls als Eingangsparameter eingeht. Größerer Luft-

überschuss führt bei gleichem AGR- und Kraftstoffmassenstrom zu geringeren Wandwärmeverlusten. Aus mathematischen Gründen empfiehlt es sich, den Kehrwert von Lambda zu verwenden, um Werte gegen unendlich zu vermeiden.

[00221] Die Oberfläche des Zylinders zum Zeitpunkt der maximalen mittleren Brennraumtemperatur hat ebenfalls Einfluss auf die Wandwärmeverluste. Diese Temperatur hat kurz nach dem Verbrennungsschwerpunkt ihr Maximum. Da dessen Lage bekannt ist, wird die Oberfläche des Zylinders beim Verbrennungsschwerpunkt (MFB50%) vorzugsweise als Eingangsparameter verwendet, um den Oberflächeneinfluss auf die Wandwärmeverluste zu berechnen.

[00222] Eine Steigerung der AGR-Rate bei gleichbleibendem Lambda ist mit einer Erhöhung der Ladungsmasse verbunden. Diese Erhöhung und die Anderung der Stoffeigenschaften verändern den Wandwärmestrom. Daher ist auch die AGR-Rate vorzugsweise ein Eingangsparameter.

[00223] Durch eine frühere Lage der Verbrennung wird die Spitzentemperatur erhöht, was mit einer Erhöhung der Temperaturdifferenz verbunden ist. Auch die Dauer, für die Wärmeabfuhr über die Brennraumwand ist länger, wenn der Einspritzzeitpunkt nach früh geht. Aus diesem Grund hat ein früherer Einspritzbeginn eine Erhöhung der Wandwärmeverluste zur Folge. Daher ist auch der Brennbeginn vorzugsweise ein Eingangsparameter.

[00224] Eine Erhöhung der Temperatur bei Einspritzbeginn ist bei sonst gleichen Randbedingungen mit einer Erhöhung des Temperaturniveaus während der Verbrennung verbunden, was wiederum zu größeren Wandwärmeverlusten führt. Daher ist auch die Temperatur bei Einspritzbeginn vorzugsweise ein Eingangsparameter.

[00225] Die Bestimmung der Wandwärmeverluste der Nacheinspritzung direkt aus den Messergebnissen ist nicht möglich. Die Wandwärmeverluste der Haupteinspritzung können jedoch mit dem zuvor beschriebenen Modell berechnet werden. Die Differenz zwischen dem aus der Haupteinspritzung berechneten und den aus den Messdaten mit Nacheinspritzung bestimmten Wandwärmestrom ergibt die von der Nacheinspritzung verursachten Wandwärmeverluste. Gemessen an der eingebrachten Kraftstoffenergie geht nur ein sehr geringer Teil über die Zylinderwand verloren. Folgende Eingangsparameter werden vorzugsweise im empirischen Modell für die Wand Wärmeverluste der Nacheinspritzung verwendet: Volumenspezifische Kraftstoffleistung der Nacheinspritzung und Einspritzbeginn der Nacheinspritzung.

[00226] Die Umwandlung der chemisch gebundenen Kraftstoffenergie in die Leistung der Hochdruckschleife ist gemeinsam mit der Landungswechselarbeit und der Motorreibung für die effektive Motorleistung verantwortlich. Die Ladungswechselarbeit wird durch ein Ladungswechselmodell berechnet, auf das hier nicht näher eingegangen wird, und kann daher als gegeben angenommen werden. Für die Motorreibung gibt es ein eigenes empirisches Modell.

INDIZIERTE LEISTUNG DER HOCHDRUCKSCHLEIFE

[00227] Um ein vorzugsweises Modell der indizierten Leistung der Hochdruckschleife zu beschreiben, kann vom ersten Hauptsatz der Thermodynamik ausgegangen werden:

nV 9QB _ dQw dme_ pn, IMa_ q, Mieck _ AU Pam} am ao} he de ha de A de “de Hierbei sind: V[m?] Volumen AQB [_J_ i do =] Umgesetzte Brennstoffenergie dQw [_J_ ” Tao =] Wandwärmeverlust he Fl Spezifische Enthalpie Ein- und Auslass d . SEA =] Massenstrom Ein- und Auslass do L°KW

dMieck | kg | a0 l:xw Massenstrom Leckage

u] innere Energie

[00228] Demnach ergibt sich für die Volumenänderungsarbeit eines Arbeitsspiels unter der Vernachlässigung von Leckage und der durch den Einlass zugeführten Energie folgender Zusammenhang.

dV | dQB _ dQw _ » dma dp‘ dp do A ap

[00229] Daraus ergeben sich die Eingangsparameter für das Modell für die indizierte Leistung der Hochdruckschleife. Die in den Brennraum eingebrachte Kraftstoffenergie ist hauptverantwortlich für die abgegebene nutzbare Leistung der Verbrennungskraftmaschine. Die eingebrachte Kraftstoffenergie hat nämlich mit Abstand den größten Einfluss auf die indizierte Leistung. Daher ist die volumenspezifische Kraftstoffleistung bei Einspritzbeginn vorzugsweise ein Eingangsparameter.

[00230] Des Weiteren ist aus obiger Gleichung zu erkennen, dass ein geringerer Wandwärmeverlust einen höheren Anteil der nutzbaren eingebrachten Kraftstoffenergie zur Folge hat. Daher ist der volumenspezifische Wandwärmestrom bei Einspritzbeginn vorzugsweise ein Eingangsparameter.

[00231] Neben diesen beiden Modelleingangsgrößen haben noch Lage und Brenndauer der Verbrennung Einfluss auf die indizierte volumenspezifische Leistung. Je später die Verbrennung und je länger die Umsetzung dauert, desto höher ist die über das Abgas abgegebene spezifische Enthalpie. Dies hat eine Reduktion der indizierten Leistung zur Folge. Daraus ergeben sich die beiden letzten Eingangsgrößen in das Modell zur Berechnung der volumenspezifischen Hochdruckleistung, nämlich der Brennbeginn und die Verbrennungsdauer bis zum Verbrennungsschwerpunktvorzugsweise.

[00232] Bei der indizierten Leistung ist ebenfalls zu beachten, dass die Nacheinspritzung durch ihre teilweise späte Lage, die zur Erhöhung der Temperatur beziehungsweise der Kohlenwasserstoff Emissionen verwendet wird, nicht mit dem gleichen Wirkungsgrad wie bei der Haupteinspritzung verbrennen kann. Aus diesem Grund ist es wichtig, die indizierte Leistung der Nacheinspritzung explizit zu modellieren. Dieses Modell ist in seiner Komplexität bei weitem nicht so groß wie das der Hauptverbrennung; die wesentlichen Einflüsse werden jedoch berücksichtigt.

[00233] Die Bestimmung der indizierten Leistung der Nacheinspritzung erfolgt ebenfalls über die Differenzbildung von gemessener und der für die Haupteinspritzung berechneten indizierten Hochdruckleistung. Folgende Eingangsparameter werden analog zum Wärmestrommodell der Nacheinspritzung vorzugsweise verwendet: Volumenspezifische Kraftstoffleistung der Nacheinspritzung und Einspritzbeginn der Nacheinspritzung.

[00234] Großen Einfluss auf die von der Nacheinspritzung verursachte indizierte Leistung hat die eingebrachte brennende Kraftstoffmenge, auch hier muss selbstverständlich der nichtbrennende Anteil abgezogen werden. Wie hoch ihr thermodynamischer Wirkungsgrad ist, hängt zum größten Teil von ihrer Lage bezogen zum oberen Totpunkt ab. Eine spätere Einspritzung indiziert analog zur Haupteinspritzung eine geringere Leistung.

MOTORREIBUNG

[00235] Die Motorreibung gehört zwar nicht unmittelbar zum Verbrennungsvorgang, ist aber für die Berechnung der abgegebenen Motorleistung notwendig. Die Motorreibung hängt stark vom Betriebszustand ab. Neben der Drehzahl hat auch die Last, durch die direkt davon abhängige Gaskraft, Einfluss auf die Motorreibung.

[00236] Das Reibungsmodell hat vorzugsweise nur zwei Eingangsparameter. Da PKW- und Nutzfahrzeugmotoren unterschiedliche Drehzahlen haben, ist die Drehzahl kein geeigneter Ein-

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gang in das Reibungsmodell. Für die Berechnung der Reibung wird folglich vorzugsweise die mittlere Kolbengeschwindigkeit, die unabhängig vom Motortyp vergleichbar ist, als Eingangsparameter verwendet.

[00237] Als Lastabhängigkeit wird vorzugsweise der Zylinderspitzendruck als Eingangsparameter verwendet, da dieser in direktem Zusammenhang mit der maximalen Gaskraft steht.

[00238] Da die Motorreibung in hohem Maß von konstruktiven Größen abhängig ist, haben Anzahl und Dimension der Hauptlager, Ol-, Wasser-, Kraftstoffpumpe oder das Kolben/Ringpaket im Allgemeinen großen Einfluss auf die Verlustleistung. Dies wird vorzugsweise über den Einstellpbarameter für die Verlustleistung berücksichtigt.

ZYLINDERSPITZENDRUCK

[00239] Für die mechanische Beanspruchung eines Dieselmotors ist der Zylinderspitzendruck von großer Bedeutung. Aus diesem Grund wird auch für diesen vorzugsweise ein empirisches Modell erstellt.

[00240] Bei gegebenem Verdichtungsverhältnis, gleicher Kraftstoffmenge und gleichem Einspritzzeitpunkt ist der Ladedruck maßgeblich für das Druckniveau während der Verbrennung verantwortlich. Um aber auch Unterschiede im Verdichtungsverhältnis abbilden zu können, wird vorzugsweise der Druck beim Einspritzbeginn der Haupteinspritzung als Eingangsparameter für die Berechnung des Zylinderspritzendrucks verwendet. Die Druckerhöhung durch die Verbrennung wird durch die Lage der Verbrennung und durch die zugeführte Kraftstoffmenge beeinflusst. Bei konstanter Kraftstoffmenge bestimmen Verbrennungsbeginn und die Durchbrenndauer die Drucküberhöhung. Eine frühere Verbrennung oder eine schnelle Brenngeschwindigkeit bewirken bekanntermaßen eine Erhöhung des Verbrennungsspitzendrucks. Daher sind auch Brennbeginn und Durchbrenndauer vorzugsweise Eingangsparameter.

[00241] Die Änderung der Kraftstoffmasse hat bei sonst gleichen Randbedingungen nahezu linearen Einfluss auf den Zylinderspitzendruck. Durch die Erhöhung der eingebrachten Kraftstoffenergie nehmen natürlich auch das Temperaturniveau und somit der Spitzendruck zu. Daher ist auch die spezifische Kraftstoffmasse vorzugsweise ein Eingangsparameter.

STICKOXIDEMISSION

[00242] Beim Dieselmotor sind Stickoxidemission und Rußemission die unangenehmsten Schadstoffkomponenten. Ihre Reduktion ist zum Erreichen zukünftiger Gesetzgebungen von größter Bedeutung. Daher ist die Vorausberechnung der Stickoxidemission wesentlich für die erfolgreiche Anwendung einer Verbrennungssimulation. Die Stickoxidemissionen werden in dem Verfahren zur Optimierung vorzugsweise kraftstoffspezifisch berechnet. Dies hat neben der guten Modellierbarkeit auch den Vorteil, dass ohne das Einspritzen von Kraftstoff keine Emissionen entstehen können.

[00243] Seit der Einführung der Abgasrückführung konnte die Stickoxidemission stark reduziert werden, da dadurch auch ohne späten Einspritzbeginn niedrige NOx-Emissionen erreicht werden konnten. Grund für die Reduktion der Stickoxidemissionen ist eine Absenkung der Temperatur in der Flamme durch den erhöhten Anteil an Inertgas und der daraus resultierenden höheren spezifischen Wärmekapazität der Füllung. Dabei hängt das NOx-Reduktionspotential der Abgasrückführung nicht nur von deren Rate, sondern von der dadurch reduzierten Sauerstoffkonzentration der Zylinderfüllung ab. Diese wiederum hängt von der AGR-Masse und deren Lambda ab, welches im Stationärbetrieb dem Luftverhältnis der Verbrennung entspricht. Der Einfluss der Luftfeuchtigkeit wird näherungsweise durch Reduktion der Sauerstoffkonzentration berücksichtigt, wobei die Reduktion der Sauerstoffkonzentration durch die Luftfeuchtigkeit gleich gewichtet wird wie durch AGR. Daraus ergibt sich der erste Eingangsparameter in das Stickoxidmodell vorzugsweise als Sauerstoffkonzentration bei Brennbeginn.

[00244] Auch Lage und Brenndauer haben Einfluss auf die Temperatur, die Haupteinflussfaktor für die Bildung von NOx ist. Je früher die Verbrennung beginnt, desto höher sind die daraus re-

sultierenden Verbrennungstemperaturen. Folglich führt die frühere Verbrennung zu einer Erhöhung der Stickoxidemissionen. Ein weiterer Eingangsparameter ist daher vorzugsweise der Brennbeginn der Haupteinspritzung.

[00245] Bei gleicher Drehzahl führt ein erhöhter Gleichraumgrad der Verbrennung, eine Annäherung an die Gleichraumverbrennung ebenfalls zu einer Erhöhung der Temperatur, da die gleiche Kraftstoffmenge in kürzerer Zeit umgesetzt wird. In Realität geschieht dies beispielsweise durch ein Anheben des Einspritzdrucks und der damit verbundenen kürzeren Brenndauer. Ein weiterer Eingangsparameter ist daher vorzugsweise die Brenndauer Verbrennungsbeginn bis Verbrennungsschwerpunkt.

[00246] Die Bildung von NOx kommt während eines Arbeitsspiels nicht ins Gleichgewicht. Je länger die Verbrennung bei höheren Temperaturen andauert, desto mehr NOx wird gebildet. Je höher die Drehzahl desto schneller kühlt das Gas im Brennraum ab, und desto geringer ist die NOx-Emission. Aus diesem Grund ist die Drehzahl vorzugsweise ein Eingang in das empirische NOx-Modell.

[00247] Das Verhältnis zwischen eingespritzter Kraftstoffmasse und Luftmasse, also das Luftverhältnis Lambda, hat ebenfalls Einfluss auf die Stickoxidemission. Steigendes Lambda fördert durch die bessere Verfügbarkeit von Sauerstoff dessen Dissoziation, die Voraussetzung für die Stickoxidbildung ist. Dadurch steigt auch die Bildungsrate von NOx an. Dem gegenüber steht die kühlende Wirkung auf die Verbrennung bei großen Luftüberschüssen. Bei sehr geringen Kraftstoffmengen wirkt die im Verhältnis große Luftmasse kühlend auf die Verbrennung, und die Stickoxidemissionen sind gering. Aus diesem Grund ist auch die Stickoxidemission bei Kleinstmengen, wie beispielsweise bei Voreinspritzvorgängen, sehr gering. Ausgehend von geringem Lambda steigt die NOx-Emission bis zu einem Luftverhältnis zwischen 1,6 und 2,2 abhängig vom Betriebspunkt an. Ab diesem Luftverhältnis verliert der Effekt des verfügbaren Sauerstoffs an Bedeutung, die kühlende Wirkung des Luftüberschusses überwiegt, und die Stickoxidemissionen sinken. Auch hier wird aus Gründen der Modellierung nicht Lambda sondern dessen Kehrwert vorzugsweise als Eingangsparameter verwendet.

[00248] Ein weiterer Einfluss auf das Temperaturniveau der Verbrennung hat die Temperatur bei Einspritzbeginn. Sowohl Einlasssammlertemperatur als auch Verdichtungsverhältnis haben bekannter Weise Einfluss auf die Stickoxidemission. Aus diesem Grund wird als Eingang in das Modell vorzugsweise die zuvor berechnete Temperatur bei Einspritzbeginn der Haupteinspritzung verwendet. Dadurch wird sowohl der Einfluss einer geänderten Einlasssammlertemperatur als auch der des Verdichtungsverhältnisses auf die Stickoxidemission abgebildet. Des Weiteren können dadurch auch Verfahren nach Miller oder Atkinson, und die damit verbundene Reduktion der NOx-Emissionen abgebildet werden.

RUßEMISSION

[00249] Drei vorzugsweise Eingangsparameter in ein empirisches Rußmodell werden im Weiteren beschrieben. Die tatsächlich aus dem Zylinder ausgeschobene Rußmasse hängt zum einen von der Rußbildungsrate, zum anderen von der Rußoxidationsrate ab. Dabei ist zu beachten, dass die Oxidation nicht erst am Ende der Verbrennung beginnt, sondern diese auch schon während der Rußbildung auftritt.

[00250] Sowohl für geringe Rußbildungsraten als auch für die Oxidation von Ruß ist Sauerstoff nötig. Bei geringen Luftverhältnissen wird mehr Ruß gebildet, und die Oxidation von Ruß ist aufgrund der geringen Sauerstoffkonzentration nur in geringem Maße möglich. Aus diesem Grund ist die Frischluftmasse bzw. der Lambda-Wert vorzugsweise ein Eingangsparameter für Bildung und Oxidation von Ruß.

[00251] Durch die schlechteren Bedingungen für die Rußoxidation durch die geringe Sauerstoffkonzentration und die geringeren Temperaturen steigt die Rußemission meist mit der AGR-Rate an, welche daher vorzugsweise ein weiterer Eingangsparameter ist.

[00252] Die Bildung von Ruß ist neben der Gemischaufbereitung natürlich auch vom Tempera-

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turniveau der Verbrennung abhängig. Je höher die Temperatur, desto mehr Ruß wird gebildet. Für die Oxidation sind aber Temperaturen von mindestens 1300K nötig. Daher stehen Bildung und Oxidation von Ruß im Widerspruch. Die Erhöhung des Einspritzdruckes führt zu einer besseren Gemischaufbereitung, aber durch höhere Temperaturen und die schnellere Kraftstoffeinspritzung auch zur Erhöhung der Rußbildungsrate. Dies wird aber durch das hohe Temperaturund Turbolenzniveau, welche zu einer besseren Oxidation führt, überkompensiert, und die tatsächliche Rußemission sinkt. Daher ist auch der Einspritzdruck vorzugsweise ein Eingangsparameter für ein empirisches Modell für die Rußemissionen.

[00253] Die Figuren 7 bis 9 zeigen, wie ein Verbrennungsmodell für einen einzelnen Motor (Motor 1) nach dem Stand der Technik ermittelt wird.

[00254] Wie in Figur 7 dargestellt, wird der für diesen Motor stationäre und unter gegebenen Umgebungsbedingungen (Druck, Temperatur) mögliche Betriebsbereich vermessen. Die Parameter x und y, welche den Betriebsbereich des Motors kennzeichnen, sind beispielsweise Ladedruck und Luftmasse. Bei der Vermessung eines bestimmten Motors kann aufgrund von physikalischen Beschränkungen (z.B. Druck- und Temperaturgrenzen von Motorbauteilen) stationär nur ein gewisser Betriebsbereich abgedeckt werden.

[00255] Mit den Messdaten der stationären Vermessung kann ein Verbrennungsmodell erstellt werden, dass innerhalb des vermessenen Bereiches eine gute Vorhersagequalität aufweist. AußBerhalb dieses Bereiches wird das Modell extrapoliert, dies wird durch die beiden Pfeile im Diagramm angedeutet. Die Vorhersagequalität in der Extrapolation nimmt stark ab. Die Extrapolation des Modells ist bei dem gleichen Motor notwendig, wenn dieser nicht stationär sondern transient betrieben wird oder sich die Umgebungsbedingungen daher ändern.

[00256] Für die Erstellung des Verbrennungsmodells kommt beispielsweise ein polynomisches Modell infrage, wie in Formel (I) im Vorhergehenden dargestellt. Die Koeffizienten x1, X2, X1,2 werden dabei so gewählt, dass sich eine möglichst gute Ubereinstimmung zwischen in den vermessenen Betriebspunkten bestimmten Parameterwerten und den mittels des Verbrennungsmodells bestimmten Parameterwerten einstellt.

[00257] Ein entsprechendes Paritätsdiagramm zur Bewertung der Modellqualität eines solchen Verbrennungsmodells ist in Fig. 8 gezeigt. Das Bestimmtheitsmaß R? beträgt in diesem Fall 0,888. Eine äquivalente Darstellung des Paritätsdiagramms der Fig.8 ist in Fig. 9 gezeigt. Die Datenwolke aus Messpunkten der Fig. 8 ist hierbei durch die schraffierte Fläche angedeutet.

[00258] Das nach den Figuren 7 bis 9 entwickelte Verbrennungsmodell ist allein für die eine zur Erstellung des Modells herangezogenen Brennkraftmaschine gültig. Soll ein anderer, unbekannter Motor ebenfalls mit einem Verbrennungsmodell abgebildet werden, so muss hierfür im Regelfall eine neuerliche Vermessung des Betriebsbereichs dieses Motors vorgenommen werden und eine neuerliche Bestimmung der Koeffizienten des Polynommodells, beispielsweise durch eine Ausgleichsrechnung, vorgenommen werden.

[00259] Die Figuren 10 bis 12 zeigen beispielhaft, wie ein erfindungsgemäßes generisches Verbrennungsmotormodell für eine ganze Gattung von Motoren entwickelt werden kann.

[00260] Wie in Fig. 10 dargestellt, werden zur Erstellung eines generischen Verbrennungsmodells mehrere, unterschiedliche Motoren einer Gattung, insbesondere einer Verbrennungsart und eines bestimmten Hubraumbereichs, herangezogen, im gezeigten Beispiel die drei Motoren Motor 1, Motor 2 und Motor 3. Beispielsweise weist Motor 1 vier Zylinder auf, Motor 2 drei Zylinder und Motor 3 fünf Zylinder auf. Zusätzlich unterscheiden sich gegebenenfalls auch die Hubräume der Zylinder der einzelnen Motoren.

[00261] Für jeden dieser Motoren werden Teile seines jeweiligen Betriebsbereichs vermessen. Idealerweise überlappen die vermessenen Betriebsbereiche der einzelnen Motoren 1, 2, 3 jedoch lediglich und decken jeweils auch zusätzlich noch unterschiedliche Betriebspunkte ab. Auch anhand dieser Messungen soll ein für diese Motorgattung gültiges Verbrennungsmodell erstellt werden. Wie in Fig. 10 dargestellt, decken die Messungen der verschiedenen Motoren einen größe-

ren Betriebsbereich ab. Dadurch werden jene Betriebsbereiche, in denen das Modell extrapoliert werden muss, verkleinert, wie durch die Pfeile angedeutet ist.

[00262] Zur Erstellung des empirischen Modells werden nunmehr nicht nur die gemessenen Daten eines einzigen Motors herangezogen, sondern aller drei Motoren 1, 2, 3. Dies bedeutet, dass bei Benutzung eines polynomischen Modellansatzes die Koeffizienten des Polynoms anhand der Messdaten aller drei Motoren bestimmt werden.

[00263] Die Modellqualität des so gefundenen empirischen Modells wird in Bezug auf die Messdaten der einzelnen Motoren in Fig. 11 dargestellt. Da das entwickelte empirische Modell alle drei Motoren abdeckt, ist die Modellqualität in Bezug auf jeden einzelnen der Motoren unterschiedlich, wie sich aus der Lage und Ausdehnung der einzelnen Datenwolken der Messungen (schraffierte Flächen) in Bezug auf die einzelnen Motoren 1, 2, 3 ergibt. Insgesamt ergibt sich ein in diesem Fall ein Bestimmtheitsmaß von 0,75.

[00264] Für ein erfindungsgemäßes Verbrennungsmodell, welches vorzugsweise aus einer Vielzahl von physikalischen Modellen und empirischen Modellen besteht, erreichen einige der empirischen Modelle nur relativ geringe Modellqualitäten, wie sich aus Fig. 11 ergibt. Dies liegt vor allem daran, dass bei der generischen Modellbildung der empirischen Modelle physikalische Effekte, wie z.B. die motorspezifische Interaktion zwischen Einspritzstrahl und Kolbenmulde oder auch das Einspritzverhalten in Abhängigkeit der Düsenlochgeometrie durch das generische Modell nicht ausreichend berücksichtigt werden können. Auch eine Einbindung dieser Abhängigkeiten durch ein zusätzliches physikalisches Modell ist im Normalfall nicht möglich.

[00265] In dem vorliegenden Beispiel eines empirischen Modells für den Betriebsbereich aller drei Motoren 1, 2, 3 kann die Modellgüte jedoch erhöht werden, indem ein Einstellbarameter EP, wie oben in Bezug auf Gleichung (Il) gezeigt, eingeführt wird. Der Einstellbarameter EP erhält in einem polynomischen Modellansatz einen eigenen Koeffizienten. Bei der Durchführung der Ausgleichsrechnung zur Bestimmung der Koeffizienten wird auch der zu dem Einstellbarameter EP gehörige Koeffizient für alle drei Motoren 1, 2, 3 auf einen Wert festgelegt und gleichzeitig ein Wert für den Einstellbarameter EP für jeden Motor 1, 2, 3 bestimmt, weicher eine möglichst gute Übereinstimmung der Messwerte des jeweiligen Motors mit dem empirischen Modell gewährleistet.

[00266] Die Übereinstimmung zwischen den gemessenen Werten der Datenwolken zu der einzelnen Motoren 1, 2, 3 und dem empirischen Untermodell ist nach der Modellbildung mit dem Einstellpbarameter in Fig. 12 dargestellt. Nunmehr wird ein Bestimmtheitsmaß von 0,97 zwischen den Messungen und dem Modell erreicht, was für eine sehr gute Modellgüte steht.

[00267] Durch das Einführen des Einstellbarameters kann nicht nur die Lage der jeweiligen Messpunktverteilung im Paritätsdiagramm verbessert werden, wie dies aus Fig. 12 deutlich wird, sondern auch die Streuung der Messpunkte im Paritätsdiagramm kann in Bezug auf das jeweilige empirische Modell verringert werden, wie durch die beiden Doppelpfeile angedeutet wird (der längere Doppelpfeil entspricht der Streuung ohne Einstellbarameter in Bezug auf Motor 2 aus Fig. 11).

[00268] Wird das empirische Modell nunmehr in einem generischen Verbrennungsmodell für einen neuen unbekannten Motor X verwendet, für den noch keine Vermessung des Betriebsbereichs vorliegt, welcher jedoch zur gleichen Gattung wie die Motoren 1,2,3 gehört, so kann das jeweilige empirische Modell lediglich durch Anpassung des Einstellbarameters EP an den unbekannten Motor X angepasst werden.

[00269] Bei einem erfindungsgemäßen Verbrennungsmodell für einen Dieselmotor sind dies insbesondere die empirischen Modelle für den Polytropenexponent, den Zündverzug, den Verbrennungsschwerpunkt und die Reibleistung.

[00270] Die Bestimmung der Einstellbarameter EP kann zunächst auf der Grundlage von Erfahrungswerten von Entwicklungsingenieuren vorgenommen werden. Um den Einstellbarameter EP exakt zu bestimmen, muss jedoch wenigstens ein Betriebspunkt an dem unbekannten Motor X

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vermessen werden. Aufgrund des Abgleichs dieses wenigstens einen Betriebspunkts mit den mittels des generischen Verbrennungsmodells errechneten Werten, können die Einstellpbarameter EP der einzelnen empirischen Modelle bestimmt werden.

[00271] Ist der Einstellparameter EP bestimmt, steht für den neuen, unbekannten Motor X ein motorspezifisches Verbrennungsmodell zur Verfügung, mit dem eine sehr hohe Ubereinstimmung zum realen Betrieb erreicht wird, wie anhand der Figuren 16 und 17 gezeigt werden kann.

[00272] In Figur 13 ist beispielhaft ein sogenanntes Interaktionsdiagramm für ein empirisches Modell des Zündverzugs dargestellt. Das Interaktionsdiagramm gibt dabei die Wirkrichtung der einzelnen Eingangsgrößen bzw. Eingangsparameter in das empirische Modell des Zündverzugs an. Ein solches Interaktionsdiagramm kann insbesondere zur Knowhow-basierten Bewertung der Modellqualität bei der Plausibilitätsbewertung eingesetzt werden.

[00273] Wie aus dem in Fig. 13 gezeigten Beispiel hervorgeht, ist die Abhängigkeit zwischen dem Zündverzug und dem Einstellparameter in diesem Fall eine gekrümmte Funktion zweiten Grades. Für einen einzelnen Motor 1, 2, 3, X wird der Einstellpbarameter für das jeweilige empirische Modell jedoch nur einmal gewählt und bleibt für den gesamten Betriebsbereich des jeweiligen Motors konstant.

[00274] Anhand von Fig. 14 wird der Unterschied zwischen dem Einfluss eines konstanten Offsetwerts C in einem polynomischen Modell zu dem erfindungsgemäßen motorspezifischen Einstellbarameter gezeigt. Auch Fig. 14 beruht, wie Fig. 12, auf dem Paritätsdiagramm der Fig. 11. Die einzelnen Datenwolken der Messpunktverteilungen der Motoren 1, 2, 3 wurden durch das Einführen eines konstanten Offsetwerts für jeden Motor verschoben. Da die Lage der einzelnen Verteilungen der Motoren sich im Paritätsdiagramm verbessert hat, hat das Bestimmtheitsmaß zwar geringfügig zugenommen, liegt aber immer noch in einem unbefriedigenden Bereich der Modellqualität. Insbesondere lässt sich durch das Einführen eines Offsetwerts in den polynomischen Modellansatz keine Verringerung der Streuung in dem Paritätsdiagramm erreichen. So ist die Breite der Verteilungswolke in Bezug auf Motor 2 in Fig. 14 identisch zu jener in Fig. 11.

[00275] Die Nutzung eines generischen Verbrennungsmodells zur Simulation von einer ganzen Gattung von Brennkraftmaschinen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ist daher durch das einfache Einführen von Offset-Werten oder Korrekturfaktoren nicht möglich.

[00276] Wie in Fig. 15 dargestellt, wird beim Erstellen eines Verbrennungsmodells, welches die Grundlage des erfindungsgemäßen Verfahrens bildet, im Wesentlichen in umgekehrter Reihenfolge vorgegangen, in welcher die Abhängigkeit der einzelnen Untermodelle voneinander gegeben ist, d.h. in umgekehrter Richtung des Informationsflusses zwischen den einzelnen Untermodellen, wie er beispielsweise in Fig. 4 dargestellt ist. Dabei wird mit der Modellerstellung bei jenen Modellen begonnen, die die gewünschten Ausgangsgrößen liefern und es werden so viele Modelle hinzugezogen, bis die gewünschten Ausgangsgrößen aus den vorhandenen bzw. vorgegebenen Eingangsgrößen bestimmt werden können.

[00277] In dem in Fig. 15 gezeigten Ausführungsbeispiel des Ablaufs der Modellerstellung für einen Dieselmotor sollen einerseits die indizierte Hochdruckleistung und die Wandwärmeverluste und andererseits die Stickstoffemission und der Spitzendruck berechnet werden. Hieraus ergibt sich, dass Modelle für den Verbrennungsschwerpunkt, den Zündverzug und die Kompression bzw. den Polytropenexponent sowie weitere etwaige physikalische Modelle notwendig sind, um anhand der im Normalfall von einer Steuerung gelieferten Eingangsgrößen eine Simulation ausführen zu können.

[00278] Im Folgenden wird in Kombination mit einem Luftpfadmodell und einem Abgasnachbehandlungsmodell ein Anwendungsbeispiel der Erfindung zur Ermittlung von Parametern, welche den Betrieb einer Brennkraftmaschine im transienten Testzyklus für Off-Road Motoren (NRTC) Charakterisieren, anhand der Fig. 16 und 17 erläutert.

[00279] Die Kenntnis des transienten Motorverhaltens im Hinblick auf thermodynamische GröBen sowie auf Emissionen von großer Bedeutung, um in frühen Phasen der Entwicklung Kon-

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zepte untersuchen zu können oder optimale Betriebsstrategien festzulegen. Im dargestellten Beispiel wurden die Diesel-Partikel-Filter (DPF) Regenerationsintervalle eines Industriemotors bei verschiedenen Lastprofilen unter der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens untersucht und die Betriebsstrategie im Weiteren optimiert.

[00280] In einem ersten Schritt ist das erfindungsgemäße Verfahren anhand des gesetzlichen transienten Testzyklus für Off-Road Motoren (NRTC) validiert worden. Betrieben wird das Motormodell mit einem Software-Steuergerät, in dem die wichtigsten Funktionen des realen Steuergerätes abgebildet sind. Die Regler des virtuellen Steuergerätes wurden dabei so abgestimmt, dass das transiente Verhalten des virtuellen Motors dem des realen Motors entspricht. Bei dieser Art der Modellanwendung spricht man von Model in the Loop (MiL). In einem zweiten Schritt wurde der Industriemotor im realen Betrieb auf einem Prüfstand dem NRTC-Zyklus unterzogen.

[00281] Neben den mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelten Werten (B) werden in Fig. 16 die gemessenen transienten Verläufe (A) von Drehzahl, Drehmoment und Luftmasse normiert dargestellt. Zusätzlich sind die Temperatur vor Turbine, die Stickoxidemission und die Rußemission im transienten Betrieb gezeigt. Die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelten Verläufe stimmen mit den gemessenen Verläufen bis auf kleine Abweichungen überein.

[00282] Figur 17 zeigt einen relativen Vergleich der Zyklusergebnisse des transienten Emissionstests. Es ist zu erkennen, dass die Abweichungen der Zyklusergebnisse für NOx, Ruß und Kraftstoffverbrauch deutlich geringer als 10% sind. Daher ist das erfindungsgemäße Verfahren gut zur Optimierung einer Brennkraftmaschine geeignet, ohne das Versuche mit der eigentlichen zu optimierende technischen Einrichtung durchgeführt werden müssen.

[00283] Insbesondere ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Vorrichtung auch möglich, Optimierungen in Zwischenstufen bzw. Schritten vorzunehmen, bei welchen Messungen am Prüfstand mit Optimierungen anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens Hand-in-Hand gehen. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass sich die verarbeiteten empirischen Modelle nicht zu weit von der Realität entfernen. Vorzugsweise können die empirischen Modelle in Zwischenschritten auch verändert und an reale Messungen angepasst werden.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   1. Verfahren (100) zur modellbasierten Optimierung, insbesondere Kalibrierung, einer technischen Einrichtung, insbesondere einer Brennkraftmaschine, folgende Arbeitsschritte aufweisend:

   Erfassen (101) von wenigstens einem ersten Parameter in Bezug auf die zu optimierende technische Einrichtung, welcher eine physikalische Größe charakterisiert;

   Erstes Bestimmen (103) wenigstens eines zweiten Parameters in Bezug auf die zu optimierende technische Einrichtung durch wenigstens ein erstes physikalisches Modell, welches wenigstens einen bekannten physikalischen Zusammenhang charakterisiert, und für welches der wenigstens eine erste Parameter ein Eingangsparameter ist;

   Zweites Bestimmen (104) wenigstens eines dritten Parameters durch wenigstens ein erstes empirisches Modell, welches auf Messungen an einer Mehrzahl von bereits bekannten technischen Einrichtungen derselben Gattung, insbesondere Brennkraftmaschinen, beruht und für welches zumindest der wenigstens eine zweite Parameter ein Eingangsparameter ist, wobei der wenigstens eine dritte Parameter geeignet ist, um die zu optimierende technische Einrichtung zu charakterisieren und/oder um auf dessen Grundlage eine Veränderung der zu optimierenden technischen Einrichtung vorzunehmen, insbesondere eine Steuerung der zu optimierenden technischen Einrichtung einzustellen; und Ausgeben (105) des wenigstens einen dritten Parameters.

   2, Verfahren (100) nach Anspruch 1, wobei wenigstens das zweite Bestimmen des wenigstens einen dritten Parameters ausschließlich in wenigstens einem vorbestimmten Zeitpunkt, insbesondere eine vorbestimmte Kurbelwellenposition, der technischen Einrichtung durchgeführt wird, insbesondere einem Einspritzzeitpunkt, Zündzeitpunkt und/oder Verbrennungsschwerpunkt (MFB50%).

   3. Verfahren (100) nach Anspruch 1, des weiteren folgenden Arbeitsschritt aufweisend: Normierung (102) des wenigstens einen ersten Parameters, bevorzugt in Bezug auf ein Leistungspotential der zu optimierenden technischen Einrichtung, insbesondere in Bezug auf einen Hubraum der Brennkraftmaschine und/oder Normierung des wenigstens einen zweiten Parameters und/oder Normierung des wenigstens einen dritten Parameters.

   4. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, des weiteren folgende Arbeitsschritte aufweisend: Drittes Bestimmen wenigstens eines vierten Parameters durch ein zweites physikalisches Modell (106a) und/oder durch zweites empirisches Modell (106b) auf der Grundlage des wenigstens einen dritten Parameters und/oder auf der Grundlage wenigstens eines ersten Parameters aus einer Mehrzahl von ersten Parametern und/oder wenigstens eines zweiten Parameters aus einer Mehrzahl von zweiten Parametern, wobei der wenigstens eine vierte Parameter geeignet ist, um die zu optimierende technische Einrichtung zu charakterisieren und/oder um auf dessen Grundlage eine Veränderung der zu optimierenden technischen Einrichtung vorzunehmen, insbesondere eine Steuerung der zu optimierenden technischen Einrichtung einzustellen; und Ausgeben (107) des wenigstens einen vierten Parameters.

   5. Verfahren (100) nach Anspruch 4 des weiteren folgende Arbeitsschritte aufweisend: Viertes Bestimmen von wenigstens einem weiteren Parameter durch wenigstens ein weiteres physikalisches Modell (108a) und/oder durch wenigstens ein weiteres empirisches Modell (108b) auf der Grundlage des wenigstens einen dritten Parameters und/oder auf der Grundlage des wenigstens einen vierten Parameters und/oder auf der Grundlage wenigstens eines einer Mehrzahl von ersten Parametern und/oder wenigstens eines einer Mehrzahl von zweiten Parametern, wobei der wenigstens eine weitere Parameter geeignet ist, um die zu optimierende technische Einrichtung zu charakterisieren und/oder um auf dessen Grundlage eine Veränderung der zu optimierenden technischen Einrichtung vorzunehmen, insbesondere eine Steuerung der zu optimierenden technischen Einrichtung einzustellen; und Ausgeben (109) des wenigstens einen weiteren Parameters.

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   Ästerreichisches AT 522 344 B1 2020-10-15

   Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei das dritte Bestimmen (106a; 106b) des vierten Parameters und/oder das vierte Bestimmen (106a; 106b) des weiteren Parameters in einem anderen Zeitpunkt, insbesondere einer anderen Kurbelwellenposition, der technischen Einrichtung wie das zweite Bestimmen (104) des dritten Parameters durchgeführt wird.

   Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Erfassen (101), das erste Bestimmen (103), das zweite Bestimmen (104), und gegebenenfalls das dritte Bestimmen (106a, 106b) und das vierte Bestimmen (108a, 108b) ohne Messungen an der zu optimierenden technischen Einrichtung durchgeführt werden.

   Verfahren zur modellbasierten Optimierung, insbesondere Kalibrierung, einer technischen Einrichtung, insbesondere einer Brennkraftmaschine,

   wobei ein Gesamtsystem der zu optimierenden technischen Einrichtung mit wenigstens einem ersten physikalischen Modell, welches wenigstens einen bekannten physikalischen Zusammenhang charakterisiert, und wenigstens einem empirischen Modell, welches auf Messungen an einer Mehrzahl von bereits bekannten technischen Einrichtungen derselben Gattung, insbesondere Brennkraftmaschinen, beruht, simuliert wird,

   wobei wenigstens ein physikalisches Modell und/oder wenigstens ein empirisches Modell zusätzlich von einem maschinenspezifischen Einstellbarameter abhängt, um das jeweilige Modell an die zu optimierende technische Einrichtung anzupassen,

   wobei in einer ersten Phase des Verfahrens wenigstens ein Messpunkt im Betrieb der zu optimierenden technischen Einrichtung gemessen wird und der maschinenspezifische Einstellbarameter auf der Grundlage des wenigstens einen Messpunkts bestimmt wird, indem gemessene Werte mit anhand der Modelle berechneten Werten des Messpunkts verglichen werden,

   wobei in einer zweiten Phase des Verfahrens keine Messungen mehr vorgenommen werden und das Gesamtsystem der zu optimierenden technischen Einrichtung mittels des wenigstens einen physikalischen Modells und des wenigstens einen empirischen Modell simuliert wird, wobei ein mittels des wenigstens einen physikalischen Modells bestimmter zweiter Parameter als Eingangsparameter in das wenigstens eine empirische Modell eingeht.

   Verfahren nach Anspruch 8,

   wobei wenigstens ein erster Parameter in Bezug auf die zu optimierende technische Einrichtung, welcher eine physikalische Größe charakterisiert, ein Eingangsparameter des wenigstens einen physikalischen Modells ist und wobei ein mittels des wenigstens einen empirischen Modells bestimmter dritter Parameter, welcher geeignet ist, um die zu optimierende technische Einrichtung zu charakterisieren und/oder um auf dessen Grundlage eine Veränderung der zu optimierenden technischen Einrichtung vorzunehmen, insbesondere eine Steuerung der zu optimierenden technischen Einrichtung einzustellen, ausgegeben wird.

   Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei wenigstens eines der verwendeten physikalischen Modelle und/oder wenigstens eines der verwendeten empirischen Modelle zusätzlich von einem maschinenspezifischen Einstellbarameter abhängt, um das jeweilige Modell an die zu optimierende technische Einrichtung anzupassen, wobei vorzugsweise für verschiedene Modelle jeweils ein unterschiedlicher Einstellpbarameter verwendet wird.

   Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei als Einstellbarameter ein Kompression-Einstellbarameter, ein Zündverzug-Einstellbarameter, ein Brenndauer/MFB50-Einstellbarameter und ein Motorreibungs-Einstellbarameter, ein Liefergrad-Einstellbarameter, Füllungsrechnungs-Einstellbarameter, Restgasgehalt-Einstellbarameter, Ladungswechselverluste-Einstellbarameter und ein Hochdruckleistung-Einstellbarameter zur Verfügung stehen.

   Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei ein Wert wenigstens eines maschinenspezifischen Einstellbarameters für alle Betriebspunkte der zu optimierenden technischen Einrichtung, insbesondere der Brennkraftmaschine, gleich ist, wobei die Brennkraftmaschine vorzugsweise definiert ist durch

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   a) Düse, Brennraum und Ladungsbewegung, insbesondere Drall oder Tumble, und/oder b) Ventilcharakteristik und Einlasskanalgeometrie und/oder c) Verlustleistungscharakteristik.

   Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei der Wert des maschinenspezifischen Einstellparameters für eine Gruppe technischer Einrichtungen der gleichen Gattung gleich ist.

   Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei der maschinenspezifische Einstellbarameter ein weiterer Eingangsparameter in das jeweilige Modell ist, welcher für den gesamten Betriebsbereich zu optimierenden technischen Einrichtung konstant ist.

   Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, wobei als Ausgangswert für einen maschinenspezifischen Einstellbarameter der zu optimierenden technischen Einrichtung ein auf der Grundlage der Werte von Einstellbarametern der Mehrzahl von bereits bekannten technischen Einrichtungen, ermittelt wird, insbesondere als ein Mittelwert.

   Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 8 bis 15, des Weiteren folgende Arbeitsschritte aufweisend:

   Messen (10A) wenigstens eines Messpunkts im Betrieb der zu optimierenden technischen Einrichtung; und

   Bestimmen (10B) des maschinenspezifischen Einstellbarameters auf der Grundlage des wenigstens einen Messpunkts, indem gemessene Werte mit berechneten Werten des ersten Parameters und/oder zweiten Parameters bei gleichen Eingangsparametern verglichen werden.

   Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 8 bis 16 des weiteren folgende Arbeitsschritte aufweisend:

   Erfassen (10A-a) des wenigstens einen zweiten Parameters; und

   Bestimmen (10B-a) des wenigstens einen maschinenspezifischen Einstellbarameters auf der Grundlage des wenigstens einen erfassten zweiten Parameters, insbesondere durch Vergleich von wenigstens einem erfassten Wert mit wenigstens einem anhand des ersten empirischen Modells bestimmten Wert des wenigstens einen dritten Parameters; und/oder Erfassen (10A-b) des wenigstens einen dritten Parameters; und

   Bestimmen (10B-b) des wenigstens einen maschinenspezifischen Einstellbarameters auf der Grundlage des wenigstens einen erfassten dritten Parameters, insbesondere durch Vergleich von wenigstens einem erfassten Wert mit wenigstens einem anhand des ersten empirischen Modells bestimmten Wert des wenigstens einen dritten Parameters; und/oder Erfassen (10A-c) des wenigstens einen vierten Parameters; und

   Bestimmen (10B-c) des wenigstens einen Einstellbarameters auf der Grundlage des erfassten wenigstens einen vierten Parameters, insbesondere durch Vergleich von wenigstens einem erfassten Wert mit wenigstens einem anhand des zweiten empirischen Modells bestimmten Wert des wenigstens einen vierten Parameters; und/oder

   Erfassen (10A-d) des wenigstens einen weiteren Parameters; und

   Bestimmen (10B-d) des wenigstens einen Einstellbarameters auf der Grundlage des erfassten wenigstens einen weiteren Parameters, insbesondere durch Vergleich von wenigstens einem erfassten Wert mit wenigstens einem anhand des Weiteren empirischen Modells bestimmten Wert des wenigstens einen weiteren Parameters.

   Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, des weiteren folgenden Arbeitsschritt aufweisend:

   Verändern des wenigstens einen ersten Parameters der zu optimierenden technischen Einrichtung auf der Grundlage des wenigstens einen dritten Parameters, des wenigstens einen vierten Parameters und/oder des wenigstens einen weiteren Parameters.

   Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, des weiteren folgenden Arbeitsschritt aufweisend: Bewerten des wenigstens einen dritten Parameters, des wenigstens einen vierten Parame-

   ters und/oder des wenigstens einen weiteren Parameters anhand einer Referenz; und Ausgeben der Bewertung.

   20. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der wenigstens eine erste Parameter durch ein Steuergerät für die zu optimierende technische Einrichtung vorgegeben oder eingestellt wird.

   21. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der wenigstens eine erste Parameter durch eine Veränderung konstruktiver Merkmale der zu optimierenden technischen Einrichtung beeinflussbar ist.

   22. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine empirisches Modell ein polynomisches Modell ist, dessen Koeffizienten anhand der Messungen an der Mehrzahl von bereits bekannten technischen Einrichtungen derselben Gattung durch eine Ausgleichsrechnung bestimmt sind, wobei der Einstellbarameter ein Eingangsparameter des empirischen Modells ist, welcher mit wenigstens einem Koeffizienten multipliziert wird und welcher für die zu optimierende technische Einrichtung konstant ist.

   23. Computerprogramm, das Anweisungen enthält, die wenn sie von einem Computer ausgeführt werden, diesen dazu veranlassen, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22 auszuführen.

   24. Computer-lesbares Medium, auf welchem ein Computerprogramm nach Anspruch 23 gespeichert ist.

   25. Vorrichtung zur modellbasierten Optimierung, insbesondere Kalibrierung, einer technischen Einrichtung, insbesondere einer Brennkraftmaschine, aufweisend: wenigstens eine Messeinrichtung zum Erfassen von wenigstens einem ersten Parameter in Bezug auf die zu optimierende technische Einrichtung, welcher geeignet ist, eine physikalische Größe zu charakterisieren, eine Speichereinrichtung, in welcher wenigstens ein erstes physikalisches Modell eines bekannten physikalischen Zusammenhangs und wenigstens ein erstes empirisches Modell, welches auf Messungen an einer Mehrzahl von bereits bekannten technische Einrichtungen derselben Gattung, beruht, hinterlegt sind, eine erste Zuordnungseinrichtung, um dem ersten Parameter auf der Grundlage des wenigstens einen ersten physikalischen Modells einem zweiten Parameter zuzuordnen, eine zweite Zuordnungseinrichtung, um wenigstens dem zweiten Parameter auf der Grundlage des wenigstens einen ersten empirischen Modells einen dritten Parameter zuzuordnen, und eine Schnittstelle zum Ausgeben des wenigstens einen dritten Parameters, wobei der dritte Parameter geeignet ist, um die zu optimierende technische Einrichtung zu charakterisieren und/oder um auf dessen Grundlage eine Veränderung der zu optimierenden technischen Einrichtung vorzunehmen, insbesondere eine Steuerung der zu optimierenden technischen Einrichtung einzustellen.

   Hierzu 17 Blatt Zeichnungen

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