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Dokumentenidentifikation DE60000051T2 19.09.2002
EP-Veröffentlichungsnummer 1024263
Titel Steuerungsverfahren für einen turboaufgeladenen Dieselmotor mit Abgasrückführung
Anmelder Ford Global Technologies, Inc., Dearborn, Mich., US
Erfinder Kolmanovsky, Ilya V., Ypsilanti, Michigan 48197, US;
Jankovic, Mrdjan J., Birmingham, Michigan 48009, US;
Jankovic, Miroslava, Birmingham, Michigan 48009, US
Vertreter derzeit kein Vertreter bestellt
DE-Aktenzeichen 60000051
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 17.01.2000
EP-Aktenzeichen 003002888
EP-Offenlegungsdatum 02.08.2000
EP date of grant 02.01.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.09.2002
IPC-Hauptklasse F02B 37/24
IPC-Nebenklasse F02D 21/08   F02D 35/00   

Beschreibung[de]

Diese Erfindung betrifft turbogeladene Kompressionszündungs-Motoren, die ein Abgas-Rückführungssystem besitzen, und spezieller Verfahren zur Steuerung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses und des Bruchteils der Abgasrückführung in Dieselmotoren, die mit Turboladern variabler Geometrie (VGT, Variable Geometry Turbocharger; Turbolader mit variabler Geometrie) und Abgas-Rückführungssystemen (EGR, Exhaust Gas Recirculation; Abgasrückführung) ausgerüstet sind.

Hochleistungs-Dieselmotoren mit hoher Drehzahl sind oft mit Turboladern ausgerüstet, um die Leistungsdichte über einen weiteren Motor-Betriebsbereich hinweg zu steigern, und mit EGR-Systemen um die Erzeugung von NOx Emissionen zu vermindern.

Turbolader verwenden einen Teil der Abgasenergie, um die zu den Motor- Verbrennungskammern gelieferte Luftmasse zu steigern. Die größere Luftmasse kann mit einer größeren Kraftstoffmenge verbrannt werden, und resultiert damit - verglichen mit nicht aufgeladenen Motoren - in gesteigerter Leistung und gesteigertem Drehmoment.

Ein typischer Turbolader besteht aus einem Kompressor und einer Turbine, die durch eine gemeinsame Welle gekoppelt sind. Das Abgas treibt die Turbine an, welche den Kompressor antreibt, welcher wiederum Umgebungsluft verdichtet und in den Ansaugkrümmer leitet. Turbolader mit variabler Geometrie (VGT) lassen es zu daß der Ansaug-Luftstrom über einen Bereich von Motordrehzahlen optimiert wird. Dies wird durch Änderung des Winkels der Einlaß-Leitschaufeln auf dem Turbinenstator erreicht. Eine optimale Stellung für die Einlaß-Leitschaufeln wird aus einer Kombination der gewünschten Drehmomentverhaltens, der Kraftstoffersparnis und der Emissionsanforderungen bestimmt.

EGR-Systeme werden verwendet um NOx Emissionen zu vermindern, indem der Verdünnungsanteil im Ansaugkrümmer gesteigert wird. EGR wird gewöhnlich mit einem EGR-Ventil erreicht, das den Ansaugkrümmer und den Abgaskrümmer verbindet. In den Zylindern wirkt das zurückgeführte Abgas als ein Inertgas, erniedrigt somit die Flammen- und Gastemperatur im Zylinder, und vermindert daher die Bildung von NOx. Andererseits verdrängt das rückgeführte Abgas frische Luft und vermindert das Verhältnis Luft-zu-Kraftstoff in der Mischung im Zylinder.

In Kompressionszündungs Motoren, die sowohl mit VGT- als auch mit EGR-Systemen ausgerüstet sind, wird eine optimale Stationärzustands-Leistung bezüglich der Kraftstoffersparnis und Emissionen erreicht, indem der Betrieb der beiden Stellglieder koordiniert wird. Die Stationärzustands-Leistung eines Komressionszündungs-Motors steht in direkter Beziehung zu der Fähigkeit des Regelsystems, das Luft/Kraftstoff- Verhältnis (AF) und den EGR-Bruchteil auf gewünschten Werten zu halten, welche von Motordrehzahl und Drehmoment abhängen (wie sie durch die vom Bediener angeforderten Rate der Kraftstoffzufuhr bestimmt werden). Somit sind in einem Motor- Steuerungssystem der EGR-Bruchteil und das Verhältnis AF die Leistungsvariablen. Es bestehen Schwierigkeiten bei der Regulierung dieser Leistungsvariablen, um die optimale Motorleistung zu erreichen. Vor allem können die Leistungsvariablen nicht direkt gemessen werden. Zusätzlich besteht eine bedeutende Wechselwirkung zwischen den VGT- und EGR-Stellgliedern, weil sowohl VGT als auch EGR den Gasstrom vom Abgaskrümmer her regulieren, und das Abgas sich direkt auf die zu regulierenden Leistungsvariablen auswirkt. Folglich besteht die Notwendigkeit für eine robuste Motor-Steuerstrategie, die über eine stabile Regulierung des AF-Verhältnisses und des EGR-Bruchteils verfügt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der vorangehende Erfindungsgegenstand sowie andere Erfindungsgegenstände und -vorteile durch ein Verfahren zur Steuerung des Luftstroms in einen Kompressionszündungs-Motor hinein erzielt, der über eine EGR und einen VGT verfügt. Das Verfahren schließt die Schritte der Messung des Verdichter-Luftmassenstroms (mcomp(k)) und des Druckwertes am Abgaskrümmer (Pexh(k)) ein; und die Erzeugung eines gewünschten Kompressor- Massendurchflußwertes (mcomp,d(k)) und eines gewünschten Abgaskrümmer- Druckwertes (Pexh,d(k)) als eine Funktion der vom Bediener angeforderten Rate der Kraftstoffzufuhr (F(k)) und Motordrehzahl (N(k)). Aus diesen Werten erzeugt das Verfahren einen geforderten Abgasrückführungs-Massenstromwert (mturb,c(k)) und einen geforderten Turbinen-Massenstromwert (mturb,c(k)). Diese Durchflüsse werden dann zu entsprechenden EGR- und VGT-Stellgliedpositionen invertiert, um die gewünschte Rate des Kompressor-Luftmassestroms (mcomp,d(k)) und den gewünschten Abgaskrümmerdruck (Pexh,d(k)). Dies wird erreicht indem der Ansaugkrümmer-Druck (Pm(k)) entweder gemessen oder geschätzt wird, und indem ein prozentualer Öffnungswert des EGR-Ventils (EGRp(k)) und ein prozentualer Öffnungswert des VGT (VGTp(k)) entsprechend als eine Funktion von megr,c(k) und mturb,c(k) erzeugt wird. Diese Werte werden dann entsprechend an das Abgasrückführungs-Ventil und an die Turbinen-Leitschaufeln des Turboladers übermittelt, um das EGR-Ventil und die VGT- Schaufeln in die entsprechend gewünschten Stellungen zu steuern.

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt eine verbesserte Kompressionszündungs-Motor-Steuerstrategie bereit. Sie erzeugt Sollwerte für das EGR-Ventil und die VGT-Position, welche dem gewünschten AF-Verhältnis und dem EGR-Strom entsprechen. Sie stellt außerdem ein Mehrgrößen-Kontrollschema bereit, welches die VGT- und EGR-Stellglieder koordiniert, um die gewünschten Sollwerte zu erzielen.

Die Erfindung wird nun, anhand eines Beispiels, unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben werden, in denen:

Abb. 1 eine schematische Ansicht eines Kompressionszündungs-Motorsystems ist, das ein EGR-System und einen VGT gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist;

Abb. 2 ein Blockdiagramm eines Motor-Steuerungssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;

Abb. 3 ein Logikdiagramm eines Motor-Steuerungsverfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;

Abb. 4 ein Logikdiagramm einer Einlaßkrümmer-Druckschätzung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;

Abb. 5a-b die Regulierung von AF-Verhältnis und EGR-Strom gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen; und

Abb. 6a-b die Position des VGT- und EGR-Stellglieds entsprechend dem AF- Verhältnis und dem EGR-Stromanteil der Abb. 4a und 5b veranschaulichen.

Wendet man sich zuerst Abb. 1 zu, so ist dort ein vereinfachtes, schematisches Diagramm eines Kompressionszündungs-Motorsystems 10 gezeigt, das mit einem Abgas-Rückführungssystem 12 (EGR) und einem Turbolader mit variabler Geometrie 14 (VGT) ausgerüstet ist. Es wird ein repräsentativer Motorblock 16 gezeigt, der vier Verbrennungskammern 18 besitzt. Jede der Verbrennungskammern 18 schließt eine Kraftstoff-Direkteinspritzung 20 ein. Der Arbeitszyklus der Kraftstoffeinspritzungen 20 wird durch die Motor-Steuereinheit 24 (ECU, Engine Control Unit, Motor-Steuereinheit) bestimmt und entlang von Signalleitung 22 übertragen. Luft tritt durch den Ansaugkrümmer 26 in die Verbrennungskammern 18 ein, und Verbrennungsgase werden durch den Abgaskrümmer 28 in der Richtung von Pfeil 30 ausgestoßen. Um den Pegel an NOx Emissionen zu vermindern ist der Motor mit einem EGR-System 12 ausgerüstet. Das EGR-System 12 umfaßt einen Kanal 32, der den Abgaskrümmer 28 mit dem Ansaugkrümmer 26 verbindet. Diese erlaubt einem Teil des Abgases in Richtung von Pfeil 31 von dem Abgaskrümmer 28 zum Ansaugkrümmer 26 rückgeführt zu werden. Ein EGR-Ventil 34 reguliert die Menge des von Abgaskrümmer 28 rückgeführten Abgases. In den Verbrennungskammern wirk das rückgeführte Abgas als ein Inertgas, senkt somit die. Flammen- und Gastemperatur im Zylinder, und vermindert daher die Bildung von NOx. Andererseits verdrängt das rückgeführte Abgas frische Luft und erniedrigt das Verhältnis Luft-zu-Kraftstoff des Gemischs im Zylinder. Der Turbolader 14 verwendet Abgasenergie, um die Masse der zu den Motor- Verbrennungskammern 18 gelieferten Luftladung zu steigern. Das in der Richtung von Pfeil 30 strömende Abgas treibt den Turbolader 14 an. Diese größere Luftmasse kann mit einer größeren Kraftstoffmenge verbrannt werden, was - verglichen mit nicht aufgeladenen Motoren - in gesteigerter Leistung und gesteigertem Drehmoment resultiert.

Der Turbolader 14 besteht aus einem Kompressor 36 und einer Turbine 38, die durch eine gemeinsame Welle 40 gekoppelt sind. Das Abgas 30 treibt die Turbine 38 an, welche den Kompressor 36 antreibt, welcher wiederum Umgebungsluft 42 verdichtet und sie (Pfeil 43) in den Ansaugkrümmer leitet. Der VGT 14 kann während des Motorbetriebs als eine Funktion der Motordrehzahl modifiziert werden, in dem der Durchflußquerschnitt der Turbine und der Winkel variiert wird, in welchem das Abgas 30 auf die Turbinenschaufeln geleitet wird. Dies wird erreicht indem der Winkel der Einlaß-Leitschaufeln 44 auf der Turbine 38 verändert wird.

Alle Motorsysteme, einschließlich EGR 12, VGT 14 und der Kraftstoffeinspritzungen 20 werden von der ECU gesteuert. Zum Beispiel reguliert Signal 46 von der ECU 24 die Stellung des EGR-Ventils, und Signal 48 reguliert die Stellung der VGT- Leitschaufeln 44.

In der ECU 24 werden die Führungsgrößen 46, 48 zu den Stellgliedern der EGR 12 und des VGT mittels Steueralgorithmen aus gemessenen Variablen und Motor- Betriebsparametern errechnet. Sensoren und im ECU-Speicher gespeicherte, kalibrierbare Tabellen versorgen die ECU 24 mit Motorbetriebs-Informationen. Zum Beispiel stellt ein Ansaugkrümmer-Drucksensor 50 (MAP) ein Signal (Pm) 52 zur ECU bereit, das für den Druck im Ansaugkrümmer 26 bezeichnend ist. Gleichermaßen stellt Abgaskrümmer-Drucksensor 54 (EXMP) ein Signal (Pexh) 56 zu der ECU 24 bereit, das für den Druck im Abgaskrümmer 28 bezeichnend ist. Weiterhin stellt ein Ansaugkrümmer-Temperatursensor 58 ein Signal (Tm) 60 zu der ECU 24 bereit, das für die Ansaugkrümmer-Temperatur bezeichnend ist. Ein Luftmassenstrom-Sensor 64 (MAF) stellt außerdem ein Signal (mcomp) 66 zu der ECU bereit, das für den Kompressor-Luftmassenstrom bezeichnend ist.

Zusätzliche, sensorische Eingaben, wie etwa Motorkühlmittel-Temperatur, Motordrehzahl und Drosselklappenstellung, können außerdem über Signalleitung 62 von der ECU empfangen werden. Zusätzliche Bedienereingaben 68, werden entlang Signalleitung 70 empfangen, wie etwa die Gaspedalstellung oder andere Eingaben zur geforderten Kraftstoffzufuhr.

Die hierin beschriebenen Motor-Steuerverfahren gelten für alle mit EGR-Systemen ausgerüstete, turbogeladenen Kompressionszündung-Motoren, ungeachtet der Art des verwendeten Kraftstoffs. Folglich muß verstanden werden daß Bezugnahmen auf Dieselmotoren in gleichem Maß ebenso auf andere Kompressionszündungs-Motoren anwendbar sind. Zusätzlich werden durch die gesamte Patentbeschreibung die folgenden Notationen bei der Beschreibung gemessener oder berechneter Variablen verwendet:

F gewünschter Kraftstoff-Massendurchfluß

N Motordrehzahl (U/min)

Pm Ansaugkrümmer-Druck (MAP) (kPa)

Pexh Abgaskrümmer-Druck (EXMP) (kPa)

Pa Umgebungsdruck (barometrischer Druck) (kPa)

mcomp Kompressor-Massendurchfluß (MAF) (kg/s)

mcyl Zylinder-Massendurchfluß (kg/s)

megr EGR-Massendurchfluß (kg/s)

AFd gewünschtes Luft/Kraftstoff-Verhältnis

AFS stöchiometrisches Luft/Kraftstoff-Verhältnis (14,6 für Diesel)

EGRd gewünschter EGR-Massenstrom als Prozentsatz des gesamten Ansaugstroms

τ Abtastzeit

γ Verhältnis spezifischer Wärmekonstanten (γ = cp/cv 1,4)

Tm Ansaugkrümmer-Temperatur (K)

Texh Abgaskrümmer-Temperatur (K)

Ta Umgebungsluft-Temperatur

Vm Ansaugkrümmer-Volumen

η Gesamtwirkungsgrad des Turboladers

EGRp prozentuale Öffnung des EGR-Ventils

VGTp prozentuale Öffnung des VGT-Stellglieds

Abb. 2 ist ein Blockdiagramm eines Motor-Steuersystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Steuersystem besitzt vier Hauptbauteile: (1) Steuerblock 200 erzeugt gewünschte Sollwerte für den Kompressor- Durchfluß (mcomp,d), Abgaskrümmer-Druck (Pexh,d) und EGR-Luftmassenstrom (megr,d); (2) Steuerblock 202 ist das Rückkopplungssystem, um die gewünschten Sollwerte für mcomp,d und Pexh,d zu erzielen; (3) Steuerblock 204 erzeugt die prozentualen EGR- und VGT-Öffnungen, um die Leistungsvariablen zu regulieren; und (4) Steuerblock 206 schätzt dynamisch den Ansaugkrümmer-Druck (Pm).

Steuerblock 200 empfängt als Eingaben die Motordrehzahl (N), den geforderten Kraftstoffdurchsatz (F) und den Umgebungsdruck (Pa), und erzeugt Sollwerte für den Komressordurchsatz (mcomp,d) und den Abgaskrümmer-Druck (Pexh,d), um das gewünschte AF-Verhältnis (AFd) und den gewünschten EGR-Stromanteil (EGRd) zu erzielen. Diese gewünschten Werte werden - auf Grundlage der Motor- Abbildungsdaten - durch optimieren des Kraftstoffverbrauchs und der Emissionen im Stationärzustand erreicht. Steuerblock 200 erzeugt außerdem einen gewünschten Wert für den EGR-Massendurchfluß (megr,d) als eine Funktion der AF- und EGR-Tabellen Der gewünschte Kompressor-Luftmassenstrom und der gewünschte EGR- Luftmassenstrom sind wie folgt definiert:

mcomp,d (AFd,EGRd) = [AFsEGRd + AFd (1 - EGRd)]F (1)

megr,d (AFd, EGRd) = ((EGRd/(1 - EGRd)) mcomp,d

Der Sollwert für den Ansaugkrümmer-Druck wird erhalten, indem die Luft- Massenstromraten in den Ansaugkrümmer hinein und aus ihm hinaus gleichgesetzt werden:

mcyl = mcomp,d + megr,d (3)

Auf andere Weise ausgedrückt ist die Massenstromrate in die Zylinder hinein eine ungefähr lineare Funktion des Ansaugkrümmer-Drucks, Pm. Dementsprechend kann mcyl definiert werden als:

mcyl = α(N,Tm)Pm)Pm

wobei α(N,Tm) ein mit Drehzahl und volumetrischem Wirkungsgrad des Motors in Zusammenhang stehender Motor-Pumpkoeffizient ist. Somit wird der gewünschte Sollwert Pm erhalten als:

Pm,d = (mcomp,d + megr,d)/α(N,Tm) (5)

Aus dem Vorangegangenen wird der gewünschte Sollwert für den Abaskrümmer-Druck wie folgt erhalten:

Pexh,d = Pα/[1 - (Ta/η*Texh)((Pm,d/Pα)(γ - 1)/γ - 1)]γ/(γ - 1) (6)

In Gleichung (6) ist der Gesamtwirkungsgrad des Turboladers, 4, das Produkt der isentropen Wirkungsgrade der Turbine und des Kompressors sowie dem mechanischen Wirkungsgrad des Turboladers. Ein ausreichend genauer Festwert kann aus den Herstellerdaten des Turboladers erhalten werden, er kann jedoch auch auf Grundlage der Motor-Betriebsbedingungen tabellarisch zusammengestellt werden. Besonders die leichte Erhöhung des Wertes von η* in Reaktion auf eine Steigerung des angeforderten Kraftstoffes resultiert - verglichen mit einem Festwert - in einer verbesserten Kraftstoffersparnis.

Als eine Alternative zur Verrichtung der Berechnungen (1) bis (6) in Echtzeit können die Werte von Sollwerten für mcomp,d(N,F), Pexh,d(N,F,Pa) und megr,d(N,F) in Tabellen gespeichert werden (worin Ta als konstant angenommen werden kann), um zur Ausführungszeit abgerufen zu werden. Dieser Ansatz erlaubt es das bestimmte, spezielle Betriebsbedingungen in systematischer Art und Weise gehandhabt werden; wie etwa das Abstellen des Kraftstoffs beim Verzögern, wo AF unendlich ist.

Sind die gewünschten Sollwerte mcomp,d und Pexh,d aus den Gleichungen (1) und (6) gegeben, so berechnet der Rückführregler 202 gewünschte Werte von EGR-Strom und VGT-Strom, um den gewünschten Kompressor-Durchfluß und Abgasdruck zu erzielen. Unter Bezug auf Abb. 2 wird bei Knoten 202 ein Kompressorstrom-Fehlerterm gebildet, welcher gleich der Differenz zwischen den gewünschten und gemessenen Kompressor-Massendurchflüssen (mcomp - mcomp,d) ist. Ähnlich wird bei Knoten 214 ein Abgasdruck-Fehlerterm erzeugt, welcher gleich der Differenz zwischen den gewünschten und den tatsächlichen Abgaskrümmer-Drücken (Pexh,d - Pexh) ist. Somit werden der angesteuerte EGR-Strom (megr,c) und der angesteuerte Turbinen-Strom (mturb,c) als eine multivariable Rückmeldung des Kompressor-Stromfehlers und des Abgaskrümmer-Druckfehlers erhalten, die zu ihren entsprechenden Sollwerten addiert werden (Knoten 208, 210):

megr,c = megr,d + K&sub1;&sub1; (mcomp - mcomp,d)+ K&sub1;&sub2; (Pexh - pexh,d) (7)

mturb,c = mcomp,d + F - K&sub2;&sub1; (mcomp - mcomp,d) + K&sub2;&sub2; (Pexh - Pexh,d) (8)

Die Rückkopplungs-Verstärkungen, Kij, besitzen Werte größer oder gleich Null, und sind ebenso für eine optimale Übergangsleistung des Motors kalibrierbar wie für eine genaue Regulierung im Stationärzustand. Überdies können die Verstärkungen Konstanten oder aber bezüglich der Motordrehzahl und der geforderten Kraftstoffzufuhr indiziert sein. Wenn gemessene oder geschätzte Werte für Pm und Pexh verwendet werden, um in Block 204 die VGT- und EGR-Öffnungen zu bestimmen, so kann der Regler instabil werden wenn die Verstärkungen K&sub1;&sub2; und K&sub2;&sub2; zu klein sind. Stabilität ist jedoch kein Grund zur Sorge wenn die Werte der Sollwerte, Pm,d und Pexh,d, verwendet werden um die VGT- und EGR-Öffnungen zu bestimmen. Dies ist eine Alternative zu dem in Abb. 2 genau ausgeführten Durchfluß-Inversionsschema. Dieses Verfahren ist darin vorteilhaft, daß der Ansaugkrümmer-Druck entweder gemessen oder geschätzt werden kann. Die Durchfluß-Inversion besitzt, verglichen mit dem Verfahren von Abb. 2, jedoch eine niedrigere Genauigkeit.

Sind die EGR- und VGT-Durchflüsse von Steuerblock 202 gegeben, so werden bei Block 204 Öffnungsbefehle für die EGR- und VGT-Stellglieder berechnet, die von 0,0 für vollständig geschlossen bis 1,0 für vollständig geöffnet reichen. Um das EGR- Öffnungssignal zu berechnen ist eine Inversion jener das EGR-Ventil beschreibenden Öffnungsformel erforderlich. Somit wird die EGR-Öffnung aus der folgenden, den Strom durch die EGR-Ventilöffnung beschreibenden Formel errechnet:

megr = (Pexg/Pnom) (Tnom/Texh)1/2ψegr (EGRp)Gs(Pm/Pexh)

wobei ψegr, eine experimentiell ermittelte Kennzahl ist, welche geometrische Eigenschaften des EGR-Ventils aufnimmt, wie etwa die Fläche der Ventilöffnung und den Schüttkoeffizienten; Tnom und Pnom die nominellen, oberstromigen Temperatur- und Druckwerte sind, die verwendet werden um ψegr zu bestimmen; und wobei Gs der Korrekturfaktor für Strömung im Unterschallbereich für die EGR ist, welcher gegeben ist durch:

Gs(Pm/pexh) = γ1/2(2/(γ+1))(γ + 1)/(2(γ - 1))

für (Pm/Pexh) ≤ (2/(γ + 1))γ/(γ - 1), ansonsten

Gs(Pm/Pexh) = [(2γ/(γ - 1)((Pm/Pexh)2/γ(Pm/Pexh)(γ + 1)/γ)]1/2

Aus Gleichung (9) kann der angesteuerte Wert der prozentualen EGR-Öffnung als Inversion wie folgt berechnet werden:

EGRp,c = ψegr&supmin;¹((Texh/Tnom)1/2megr,cPnom/(PexhGs(Pm /Pexh))) (10)

für (Pm/Pexh) < 1, ansonsten

EGRp,c = 0

Ähnlich wird die angesteuerte VGT-Öffnungsstellung aus dem entsprechenden Strom durch die Öffnungsformel errechnet, und zwar unter der Annahme daß der Druck am Turbinenausgang gleich dem Umgebungs-Luftdruck ist:

VGTp,c = ψvgt&supmin;¹((Texh/Tnom)1/2m,turb,cPnom/(PexhGs(Pa + ε/Pexh))) (11)

worin ψvgt die experimentiell bestimmte Stellglied-Charakteristik ist, welche geometrische Eigenschaften der Turbine aufnimmt, wie etwa den Durchflußquerschnitt der Öffnung und den Schüttkoeffizienten des VGT. Der Korrekturfaktor ist eine experimentiell bestimmte, kleine Konstante, die eingeschlossen wird um der Tatsache Rechnung zu tragen daß der Turbinenstrom bei einem Druckverhältnis von weniger als 1 gleich 0 ist.

Aus den Gleichungen (10) und (11) bestimmen die Stellglieder-Befehle EGRp,c und VGTp,c die prozentuale Öffnung der beiden Stellglieder.

In Gleichungen (10) und (11) wird angenommen daß die Ansaug- und Abgaskrümmer- Drucksignale Pm und Pexh gemessene oder geschätzte Werte sind. Alternativ könnten entsprechend - wie oben mit Bezug auf die Rückkopplungs-Verstärkungen erwähnt - die Sollwerte Pm,d und Pexh,d aus Gleichungen (5) und (6) verwendet werden. In einem solchen Fall können die Rückkopplungs-Verstärkungen K&sub1;&sub2; und K&sub2;&sub2; kleine Werte sein, ohne die Systemstabilität zu gefährden, einschließlich K&sub1;&sub2; = 0 und K&sub2;&sub2; = 0.

Zusätzlich kann, anstatt den Ansaugkrümmer-Druck zu messen, ein geschätzter Wert verwendet werden, wie es in Block 206 von Abb. 2 gezeigt ist. Diese Schätzung für Pm erlaubt es daß der MAP-Sensor 50 (Abb. 1) beseitigt wird, oder sie stellt im Falle eines Sensor-Versagens ein System zur Detektion der Ausfallart bereit.

Aus dem idealen Gasgesetz ist die Dynamik des Ansaugkrümmer-Drucks definiert als:

dPm/dt = (RTm/Vm)(mcomp + megr - mcyl) (12)

worin R die Differenz zwischen der druckspezifischen Wärmekonstante und der volumenspezifischen Wärmekonstante darstellt.

In Gleichung (12) ist der Kompressor-Massendurchfluß ein gemessener Wert, und Schätzungen der EGR- und Zylinder-Massendurchflüsse werden aus Gleichungen (9) und (4) unter Verwendung einer Schätzung des Ansaugkrümmer-Drucks erhalten. Die Schätzung des Ansaugkrümmer-Drucks m wird rekursiv aus der folgenden Gleichung errechnet:

wobei:

(k) = (Pexh(k)/Pnom)(Tnom/Texh(k))1/2 ... ψegr(EGRp(k))Gs( (k - 1)/Pexh(k)) (14)

In Gleichung (13) stellt der Index k den diskreten Zeitpunkt t = kτ dar. Der geschätzte Ansaugkrümmer-Druck m kann in dem oben umrissenen Steuerverfahren dann an Stelle der tatsächlichen Ansaugkrümmer-Messungen substituiert werden.

Abb. 1 beschreibt die von der Motorsteuerung ausgeführte Logikroutine, um die EGR-Ventil- und VGT-Stellung auf Grundlage der Sollwerte für Kompressor-Luftstrom und Abgasdruck zu steuern. Diese Logikroutine ist im ECU-Speicher gespeichert und wird als Teil der Vordergrund-Logikroutine ausgeführt, die verwendet wird um die Motor-Betriebsbedingungen zu steuern.

Beginnend bei einer Anfangszeit von k = 1 (Schritt 300) werden bei Schritt 302 Messungen von Motordrehzahl, Kompressor-Luftmassenstrom und Abgaskrümmer- Druck bestimmt. Unter Bezug auf Abb. 1 wird die Motordrehzahl von der ECU entlang Signalleitung 62 empfangen, der Wert des Kompressor-Luftmassenstroms wird von MAF-Sensor 64 bereitgestellt, und der Wert des Abgaskrümmer-Drucks wird durch EXMP-Sensor 54 gemessen.

In Schritt 304 wird die gewünschte Kraftstoffzufuhr als eine Funktion der Gaspedal- Stellung (Signal 70 von Abb. 1) und Motordrehzahl aus einer im ECU. Speicher gespeicherten Tabelle bestimmt. Ähnlich wird die Abgaskrümmer-Temperatur durch einen Sensor (nicht gezeigt) gemessen oder kann aus einer Tabelle bestimmt werden, die nach der Motordrehzahl, der geforderten Kraftstoffzufuhr und dem gewünschten AF-Verhältnis indiziert ist.

In Schritt 306 werden gewünschte Sollwerte für Kompressor-Luftmassenstrom und den Abgaskrümmer-Druck (Steuerblock 200 von Abb. 2) aus Tabellen erzeugt, die der gewünschten Kraftstoffzufuhr und Motordrehzahl entsprechen. Die Tabellenwerte werden unter Verwendung der Gleichungen (1) und (6) angelegt, und zwar indiziert nach dem gewünschten AF-Verhältnis und dem gewünschten EGR-Stromanteil.

In Schritt 308 werden die angesteuerten EGR- und Turbinen-Luftmassenströme aus Gleichungen (7) und (8) berechnet.

Der Ansaugkrümmer-Druck wird in Schritt 310 bestimmt. Dieser Wert kann durch MAP- Sensor 50 in Abb. 1 gemessen oder aber wie in Gleichung (13) geschätzt werden.

In Schritt 312 werden aus den Gleichungen (10) und (11) (Steuerblock 204 von Abb. 2) prozentuale Öffnungswerte für EGR und VGT bestimmt. Diese angesteuerten Werte werden dann entlang der entsprechenden Signalleitungen 46 und 48 von Abb. 1 auf die Stellglied-Antriebe der EGR und des VGT angewandt. Der Programmspeicher wird dann bei Schritt 316 erhöht, und der Vorgang wiederholt sich. Abb. 4 beschreibt das Logikfluß-Diagramm der Ansaugkrümmer-Druckschätzung, welche in Schritt 310 von Abb. 3 an Stelle des gemessenen Wertes verwendet werden kann. Die Schätzung beginnt bei Schritt 400 durch Bestimmung der Ansaugkrümmer-Temperatur. Diese wird durch Ansaugkrümmer-Temperatursensor 58 von Abb. 1 bestimmt. In Schritt 402 wird der geschätzte EGR-Luftmassenstrom gemäß Gleichung (14) errechnet. Der aus dem vorigen Logikzyklus errechnete Wert des Ansaugkrümmer-Drucks wird dann bei Schritt 404 erneut abgerufen. Eine neue Schätzung des Ansaugkrümmer-Drucks wird dann in Schritt 406 aus Gleichung (13) errechnet, und in Schritt 408 im ECU-Speicher gespeichert.

Die Leistung der neuartigen Steuermethode wird in Abb. 5a-5b und 6a-6b gezeigt. Abb. 5a und 5b zeigen die Sollwert-Regulierung für das Luft/Kraftstoff- Verhältnis des Abgases (Linie 502) und des EGR-Stromanteils (Linie 508) entsprechend der folgenden Schritte in der Kraftstoffzufuhr: 3-5-7-5-3 kg/h bei 3000 U/min. Das angesteurte Luft/Kraftstoff-Verhältnis und der angesteuerte EGR- Stromanteil sind entsprechend durch die Linien 504 und 510 gezeigt. Wie man erkennen kann zeigt das Steuerverfahren eine sehr schnelle Reaktion des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses (Bereich 506) auf eine Steigerung in der geforderten Kraftstoffzufuhr.

Abb. 6a und 6b veranschaulichen die Positionen der EGR- und VGR- Stellglieder für die selben Schritte der Kraftstoffzufuhr wie in Abb. 5a und 5b bei 3000 U/min. Abb. 6a zeigt die gemessenen (Linie 602) und angesteuerten (Linie 604), prozentualen Öffnungen des VGT-Stellglieds, und Abb. 6b zeigt die gemessene (Linie 606) und angesteuerte (Linie 608), prozentuale EGR-Öffnung.

Während die Erfindung in Verbindung mit einer oder mehreren Ausführungsformen beschrieben wurde, wird man verstehen daß die Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt ist. Zum Beispiel kann der Kompressor- Luftmassenstrom, anstatt ihn zu messen, aus den gemessenen Ansaug- und Abgaskrümmer-Drücken und Ansaugkrümmer-Temperatursignalen geschätzt werden. Die Struktur des Steueralgorithmus von Abb. 2 würde der gleiche bleiben, außer daß an Stelle seines gemessenen Wertes eine Schätzung des Kompressor- Luftmassenstroms verwendet wird, und daß der gemessene Ansaugkrümmer-Druck an Stelle seines geschätzten Wertes verwendet wird.

Legenden zu den Zeichnungen Abb. 1

46 von ECU

46 zum EGR-Ventil

68 Bediener-Eingaben

Abb. 2

200 Sollwert-Erzeugung

204 Durchfluß-Inversion

206 Pm-Schätzung

Abb. 3

302 Bestimme N(k), mcomp(k), Pexh(k)

304 Bestimme F(k), Texh(k)

306 Bestimme mcomp,d(k), Pexh,d(k)

308 Erzeuge merg,c(k), mturb,c(k)

310 Bestimme Pm(k)

312 Erzeuge EGRp,c(k), VGTp,c(k)

314 Wende gewünschte VGT- und EGR-Werte auf Stellglied-Antriebe an

Abb. 4

400 Bestimme Tm(k)

402 Erzeuge megr(k)

404 Rufe ab: Pm(k-1)

406 Erzeuge Pm(k)

408 Speichere Pm(k) im ECU-Speicher

Abb. 5a

Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases bei 3000 U/min. 3-5-7-5-3 kg/h Kraftstoff

Abb. 5b

EGR-Stromanteil bei 3000 U/min. 3-5-7-5-3 kg/h Kraftstoff

Abb. 6a

VGT-Stellglied bei 3000 U/min. 3-5-7-5-3 kg/h Kraftstoff

Abb. 6b

EGR-Stellglied bei 3000 U/min. 3-5-7-5-3 kg/h Kraftstoff


Anspruch[de]

1. Ein Verfahren zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und des Abgas- Rückführungsanteils (EGR) in einem Kompressionszündungs-Motor, der ein EGR- System (12) aufweist, einschließlich eines einen Ansaugkrümmer (26) und einen Abgaskrümmer (28) des Motors verbindenden Ventils (34); und einen Turbolader mit variabler Geometrie (14), einschließlich eines Kompressors (36), der mit einer Leitschaufeln (44) besitzenden Turbine (38) verbunden ist; wobei der Kompressor (36) mit dem Ansaugkrümmer (26) in Verbindung steht, und die Turbinen-Leitschaufeln (44) mit dem Abgaskrümmer (28) in Verbindung stehen; und wobei das Verfahren die Schritte umfaßt:

Bestimmen eines für die augenblickliche Motordrehzahl bezeichnenden Motordrehzahl- Wertes (N(k));

Bestimmen eines einzuspritzenden Kraftstoffzufuhr-Wertes (F(k)) als eine Funktion von (N(k)) und der vom Bediener geforderten Kraftstoffzufuhr;

Erzeugen eines gewünschten Wertes des Kompressor-Luftmassenstroms (mcomp,d(k)) als eine Funktion von F(k) und N(k);

Erzeugen eines gewünschten Wertes des Abgaskrümmer-Druckes (Pexh,d(k) als eine Funktion von F(k) und N(k);

Bestimmen eines für den Abgaskrümmer-Druck bezeichnenden Abgasdruck-Wertes (Ph(k));

Bestimmen eines für den Kompressor-Luftmassenstrom bezeichnenden Luftmassenstrom-Wertes (mcomp(k));

Erzeugen eines EGR-Massenstromwertes (megr,c(k)) und eines angesteuerten Turbinen- Massenstromwertes (mturb,c(k)) als Funktion von mcomp,d (k), Pexh,d(k), mcomp(k) und Pexh(k);

Bestimmen eines für den Ansaugkrümmer-Druck bezeichnenden Ansaugkrümmer- Druckwertes (Pm(k));

Erzeugen eines prozentualen Öffnungskommandos des EGR-Ventils (EGRp,c(k)) und eines prozentualen Öffnungskommandos des Turboladers mit variabler Geometrie (VGTp,c(k)) als eine Funktion entsprechend von megr,c(k) und mturb,c(k); und

Anwenden von EGRp,c(k) und VGTp,c(k) entsprechend auf das EGR-Ventil und die Turbinen-Leitschaufeln, um das EGR-Ventil und die Turbinen-Leitschaufeln zu den entsprechend gewünschten, prozentualen Öffnungswerten zu steuern.

2. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, in dem der Schritt der Erzeugung des gewünschten Kompressor-Luftstromwertes (mcomp,d(k)) weiterhin die Schritte umfaßt:

Abrufen eines gewünschten Luft/Kraftstoff-Verhältnisses (AFd(k)) aus einer Tabelle von nach F(k) und N(k) indizierten Werten;

Abrufen eines gewünschten Wertes des Abgasrückführung-Stromanteils (EGRd(k)) aus einer Tabelle von nach F(k) und N(k) indizierten Werten; und

Erzeugen eines gewünschten Kompressor-Luftstromwertes (mcomp,d(k)) gemäß der folgenden Gleichung:

mcomp,d(k) = [AFsEGRd(k) + AFd(k) (1 - EGRd)]F(k)

worin AFS das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis darstellt.

3. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, in dem der Schritt der Erzeugung eines gewünschten Abgaskrümmer-Druckwertes (Pexh,d(k)) weiterhin die folgenden Schritte umfaßt:

Erzeugen eines für die Abgaskrümmer-Temperatur bezeichnenden Temperaturwertes (Texh(k)); und

Erzeugen eines gewünschten Abgaskrümmer-Druckwertes (Pexh,d(k)) gemäß der folgenden Gleichung:

Pexh,d(k) = Pa/[1 - (Ta/η*Texh)((Pm,d/Pa)(γ - 1)/γ - 1)]γ/(γ -1)

worin Ta und Pa entsprechend die Umgebungsluft-Temperatur und den Umgebungsluft- Druck darstellen, Pmd(k) den gewünschten Ansaugkrümmer-Druck darstellt, 4 den Turbolader-Gesamtwirkungsgrad darstellt, und γ das Verhältnis der druckspezifischen Wärmekonstante zur volumenspezifischen Wärmekonstante darstellt.

4. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, in dem der Schritt des Erzeugens eines angesteuerten Abgasrückführungs-Massenstromwertes (megr,c(k)) und eines angesteuerten Turbinen-Massenstromwertes (mturb,c(k)) weiterhin die Schritte umfaßt:

Erzeugen eines für den Kompressor-Luftmassenstrom bezeichnenden Luftstrom- Wertes (mcomp(k));

Erzeugen eines für den Abgaskrümmer-Druck bezeichnenden Abgasdruck-Wertes (Pexh(k));

Erzeugen eines angesteuerten Abgasrückführungs-Massenstromwertes (megr,c(k)) gemäß der folgenden Gleichung:

megr,c(k) = megr,d(k) + K&sub1;&sub1; (mcomp(k) - mcomp,d(k)) + ... K&sub1;&sub2;(Pexh(k) - Pexh,d (k))

und;

Erzeugen eines angesteuerten Turbinen-Massenstromwertes (mturb,c(k)) gemäß der folgenden Gleichung:

mturb,c(k) = mcamp,d(k) + F(k) - K&sub2;&sub1; (mcomp(k) - mcomp,d(k)) + K&sub2;&sub2; (Pexh(k) - Pexh,d(k))

worin K&sub1;&sub1;, K&sub1;&sub2;, K&sub2;&sub1; und K&sub2;&sub2; Steuerungs-Rückkopplungsverstärkungen darstellen, die Werte größer oder gleich Null aufweisen.

5. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, in dem der Schritt der Bestimmung eines Ansaug- Druckwertes (Pm(k)) den Schritt der Messung des Ansaugkrümmer-Druckes mit einem Krümmer-Absolutdruck-Sensor einschließt.

6. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, in dem der Schritt der Bestimmung eines Ansaug- Druckwertes (Pm(k)) weiterhin die Schritte umfaßt:

Bestimmen der Ansaugkrümmer-Temperatur (Tm(k));

Bestimmen eines Luftmassenstrom-Wertes des Abgas-Rückführungsventils ( egr(k)); und

Berechnen eines Ansaug-Druckwertes (Pm(k)) gemäß der folgenden Gleichung:

worin R die Differenz zwischen der druckspezifischen Wärmekonstante und der volumenspezifischen Wärmekonstante darstellt, τ die Abtast-Taktzeit darstellt, Vm das Ansaugkrümmer-Volumen darstellt, und α(N(k), Tm(k)) der Motor-Pumpkoeffizient ist.

7. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, in dem der Schritt der Erzeugung eines prozentualen Öffnungskommandos des Abgas-Rückführungsventils (EGRp,c(k)) und eines prozentualen Öffnungskommandos des Turboladers mit variabler Geometrie (VGTp,c(k)) die Schritte einschließt:

Erzeugen eines für die Abgaskrümmer-Temperatur bezeichnenden Temperaturwertes (Text(k));

Erzeugen eines für den Abgaskrümmer-Druck bezeichnenden Abgas-Druckwertes (Pexh(k));

Errechnen von EGRp,c(k) gemäß der folgenden Gleichung:

EGRp,c = ψegr&supmin;¹((Texh/Tnom)1/2megr,c(k)Pnom/(Pexh(k)Gs(Pm(k)/Pexh)))

für (Pm(k)/Pexh(k)) < 1, ansonsten

EGRp,c = 0

worin ψegr die Charakteristik des EGR-Ventils in Abhängigkeit der Fläche der Ventilöffnung und des Schüttkoeffizienten ist; Tnom und Pnom nominelle, oberstromige Temperatur- und Druckwerte sind, und GS ein Korrekturfaktor für Strömung im Unterschallbereich für die EGR ist, der die folgende Form hat:

Gs(Pm/pexh) = γ1/2(2/(γ+1))(γ + 1)/(2(γ - 1))

für (Pm/Pexh) ≤ (2/(γ + 1))γ/(γ - 1), ansonsten

Gs(Pm/Pexh) = [(2γ/(γ - 1)((Pm/Pexh)2/γ(Pm/Pexh)(γ + 1)/γ)]1/2

wobei γ das Verhältnis der druckspezifischen Wärmekonstante zur volumenspezifischen Wärmekonstante darstellt; und

Errechnen von VGTp,c(k) gemäß der folgenden Gleichung:

VGTp,c(k) = γvgt&supmin;¹((Texh(k)/Tnom)1/2mturb,c(k)Pnom/(Pexh(k)Gs(Pa(k) + ε/Pexh(k))))

worin ψegr die VGT-Durchflußcharakteristik in Anhängigkeit des Durchflußquerschnittes der Öffnung und des Schüttkoeffizienten für den VGT ist.







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