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Dokumentenidentifikation DE60000081T2 17.10.2002
EP-Veröffentlichungsnummer 1024260
Titel Steuerungsverfahren für einen Turbolader variabler Geometrie in einem Dieselmotor mit Abgasrückführung
Anmelder Ford Global Technologies, Inc., Dearborn, Mich., US
Erfinder Kolmanovsky, Liya V., Ypsilanti, Michigan 48197, US;
van Nieuwstadt, Michiel J., Ann Arbor, Michigan 48102, US;
Moraal, Paul Eduard, 52146 Wuerselen, DE
Vertreter derzeit kein Vertreter bestellt
DE-Aktenzeichen 60000081
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 17.01.2000
EP-Aktenzeichen 003002805
EP-Offenlegungsdatum 02.08.2000
EP date of grant 06.03.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 17.10.2002
IPC-Hauptklasse F02B 37/24
IPC-Nebenklasse F02D 35/00   F02D 33/02   

Beschreibung[de]

Diese Erfindung betrifft turbogeladene Kompressionszündungs-Motoren, die Abgas- Rückführungssysteme besitzen, und spezieller Verfahren zur Steuerung der Stellglied- Position eines Turboladers mit variabler Geometrie (VGT, Variable Geometry Turbocharger; Turbolader mit variabler Geometrie) in mit Abgas- Rückführungssystemen (EGR, Exhaust Gas Recirculation; Abgasrückführung) ausgerüsteten Dieselmotoren

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.

Dokument DE 197 28 352 A beschreibt eine auf Parametern basierende VGT- Steueranordnung, die Abgaskrümmer-Druck und Massenstrom der Ansaugluft (durch den Kompressor) einschließen.

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.

Sowohl VGT wie EGR regulieren den Gasstrom durch den Abgaskrümmer, und ihr Effekt ist es daher gemeinsam von den Bedingungen im Abgaskrümmer abhängig.

Übermäßige EGR-Raten verdrängen die Ansaugung frischer Luft und können zu unvollständiger Verbrennung des eingespritzten Kraftstoffs führen, was wiederum das Auftreten sichtbarer Rauchmengen hervorrufen könnte. Zusätzlich kann in mit einem VGT ausgerüsteten Motoren der tatsächliche Strom durch das EGR-Ventil - wegen Abgasdruck-Schwankungen, die durch das Öffnen oder Schließen der Ansaug- Leitschaufeln erzeugt werden - selbst für eine feststehende Öffnung des EGR-Ventils in großem Maße variieren.

Dementsprechend ist es für optimale Motorleistung wichtig genaues Wissen über Position des VGT-Stellglieds zu besitzen. Speziell wird der VGT in einem typischen Motor-Steuersystem verwendet um den Luft-Massenstrom (MAF) zu steuern, und die EGR wird verwendet um den Ansaugkrümmer-Druck (MAP) zu regulieren. Weil das Stationärzustands-Motorabbild bezüglich der VGT-Position jedoch nicht monoton ist, muß ein Regler, welcher den VGT verwendet um die MAF-NAchführung zu regulieren, der VGT-Position Rechnung tragen. Dies ist in Abb. 1 demonstriert.

Abb. 1 zeigt die Stationärzustands-Werte des Kompressor- Luftmassendurchflusses (MAF) bei einer Motordrehzahl von 2000 U/min und einer Kraftstoff-Zufuhrrate von 4,0 kg/h. Jede Linie im Graphen stellt eine konstante Stellung des EGR-Ventils dar, wobei 0,0 vollständig geschlossen und 1,0 vollständig geöffnet ist; und eine variierende Position des VGT-Stellgliedes, wobei 0,0 vollständig geschlossen ist und 1,0 vollständig geöffnet. Wie aus Abb. 1 ersichtlich ist steigert das Öffnen des VGT an Punkt 100 (Xegr = 1,0, XVGT = 0,2) den MAF, während das Öffnen des VGT an den Punkten 102 (Xegr = 0,0, XVGT = 0,2) und 104 (Xegr = 1,0, XVGT = 0,8) den MAF senkt.

Daher ist die Kenntnis der VGT-Position wichtig für eine effektive MAF-Steuerung, und damit für eine Minderung der Turbo-Verzögerung. Stellungssensoren für elektronische und pneumatische VGT-Stellglieder sind wegen Beschränkungen in der Unterbringung und zusätzlichen Kosten für das gesamte Motor-Steuersystem jedoch oft unerwünscht.

Zusätzlich sind zur Überwachung und Steuerung des Zustands von Abgasbehandlungs-Vorrichtungen wie etwa Diesel-Partikelfallen, mageren NOx Fallen und Katalysatoren die Messung des Turbinen-Luftmassendurchflusses, der Abgaskrümmer-Temperatur und des Turbinen-Rückdrucks erforderlich. Alle diese Messungen können entsprechend durch Massendurchfluß- Temperatur- oder Drucksensoren bereitgestellt werden; derartige Kosten fügen jedoch zusätzliche Kosten hinzu und können der gesamten Motor-Steuerstrategie Komplexität hinzufügen. Im Einklang mit der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Abschätzung der VGT-Stellgliedposition in einem ein EGR-System besitzenden Kompressionszündungs- Motor bereitgestellt. Das Verfahren schließt die Schritte ein die Abgaskrümmer- Temperatur (T&sub2;) zu bestimmen, den Massendurchfluß - (W2t) durch die Turboladerturbine zu bestimmen, den Abgaskrümmer-Druck (p&sub2;) zu bestimmen, den Turbinen-Rückdruck (pexs) zu bestimmen, und eine VGT-Stellgliedposition-Schätzung als eine Funktion von W2t, T&sub2;, p&sub2; und pexs zu erzeugen. Die geschätzte VGT- Stellgliedposition wird dann verwendet um einen Fehlerterm zu erzeugen, der für die Differenz zwischen der geschätzten und der gewünschten VGT-Stellgliedposition bezeichnend ist. Der Fehlerterm kann verwendet werden um das VGT-Stellglied in seine gewünschte Stellung zu steuern, um den Ansaugkrümmer-Druck zu regulieren. Das Steuersystem ist darin vorteilhaft, daß es eine direkte Regelung der VGT- Stellgliedposition und/oder des Turbinen-Massendurchflusses im geschlossenen Regelkreis ermöglicht. Das Steuersystem besitzt somit eine geringere Empfindlichkeit gegen Mängel oder Instabilitäten des VGT-Stellgliedes, welche sich aufgrund des Abgasstroms aus variablen Kräften an den Turbinen-Leitschaufeln ergeben können. Die Schätzung läßt außerdem eine verbesserte Diagnostik von Abgassystem- Problemen zu, wie etwa Beschränkungen aufgrund eines beschädigten Schalldämpfers oder wegen Ablagerungen. Das Verfahren läßt außerdem eine Diagnostik des VGT-Stellglieds zu. Zum Beispiel kann ein versagendes VGT-Stellglied detektiert werden, wenn ein modifiziertes Arbeitszyklus-Signal an das VGT-Stellglied übertragen wird, und die Schätzung der VGT-Stellgliedposition ändert sich nicht. Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt eine verbesserte Kompressionszündungs-Motor-Steuerstrategie bereit. Sie schätzt unter Verwendung eines reduzierten Sensorsatzes dynamisch die VGT-Stellgliedposition, den Turbinen- Rückdruck und die Abgaskrümmer-Temperatur.

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

Abb. 1 ein Stationärzustands-Abbild des Kompressor-Luftmassendurchflusses (MAF) für eine konstante EGR-Ventilposition und eine variierende VGT- Stellgliedposition ist;

Abb. 2 eine schematische Ansicht eine Kompressionszündungs-Motors ist, der ein EGR-System und einen VGT im Einklang mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besitzt;

Abb. 3 ein Logikdiagramm eines Motor-Steuerverfahrens im Einklang mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;

Abb. 4 den geschätzten Massendurchfluß durch die VGT-Turbine als eine Funktion des Druckverhältnisses über die Turbine hinweg aufträgt; und

Abb. 5a bis 5c gemäß dem Logikdiagramm von Abb. 3 die geschätzten gegen die tatsächlichen VGT-Stellgliedpositionen veranschaulichen.

Wendet man sich zuerst Abb. 2 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. Dies 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 wirkt 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, indem 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 52 zur ECU bereit, das für den Druck im Ansaugkrümmer 26 bezeichnend ist. Gleichermaßen stellt Abgaskrümmer-Drucksensor 54 (EXMP) ein Signal 56 zu der ECU 24 bereit, das für den Druck im Abgaskrümmer 28 bezeichnend ist. Weiterhin stellt ein Ansaugkrümmer- Temperatursensor 58 ein Signal 60 zu der ECU 24 bereit, das für die Ansaugkrümmer- Temperatur bezeichnend ist. Ein Luftmassenstrom-Sensor 64 (MAF) stellt außerdem ein Signal 66 zu der ECU bereit, das für den Kompressor-Luftmassenstrom bezeichnend ist.

Zusätzliche, sensorische Eingaben, wie etwa Motorkühlmittel-Temperatur, Motordrehzahl und EGR-Ventilstellung, können von der ECU außerdem über Signalleitung 62 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:

P Druck (kPa)

T Temperatur (K)

m Masse (kg)

W Massenstrom (kg/s)

F verbrannter Gasanteil

αegr EGR-Ventilstellung

αvgt VGT-Stellgliedposition

N Motordrehzahl (U/min)

d Dichte

nvol volumetrischer Wirkungsgrad des Motors

pexs Turbinen-Auslaßdruck

Vd Verdrängungsvolumen des Motors

Weiterhin werden die folgenden Indizes verwendet, um Bereiche des Motorsystems zu bezeichnen:

1 Ansaugkrümmer 26

2 Abgaskrümmer 28

e Motor 16

t Turbine 38

c Kompressor 36

f Kraftstoff

Schließlich wird auf die folgenden thermodynamischen Konstanten für Luft bei 300 K Bezug genommen:

cp = 1,0144 kJ/kg/K R = cp - cv

cv = 0,7274 kJ/kg/K Y = cp/cv

φs = 1/14,1

Somit nimmt das Symbol p&sub1; zum Beispiel auf den Ansaugkrümmer-Druck in kPa Bezug. Kombinierte Indizes, wie etwa "e2", beziehen sich auf Ströme aus dem ersten in das zweite Untersystem.

Abb. 3 beschreibt eine Logikroutine, um eine VGT-Stellgliedsteuerung auf Grundlage von Ansaug- und Abgasdruck, Motordrehzahl, Kompressorauslaß- Temperatur, Motorkühlmittel-Temperatur und EGR-Ventilstellung zu verwirklichen. Diese Logikroutine sitzt im ECU-Speicher und wird als Teil der zur Steuerung der Positionen von VGT-Stellglied und EGR-Ventil verwendeten Routine ausgeführt.

In Schritt 300 wird der Motor-Ansaugstrom (W1e(k)) als eine Funktion des volumetrischen Wirkungskrades des Motors auf Grundlage von gemessenen und geschätzten Motor-Betriebsparametern berechnet. Der Motor-Ansaugstrom ist dann gegeben durch:

W1e(k) = (p&sub1;Nnvol/(VdRT&sub1;120)) = k1ep&sub1; (1)

Worin N die Motordrehzahl darstellt, Vd das Verdrängungsvolumen des Motors darstellt, und nvol den volumetrischen Wirkungsgrad des Motors darstellt. Der volumetrische Wirkungsgrad ist im ECU-Speicher als Funktion einer oder mehrerer der folgenden Variablen gespeichert: Motordrehzahl, Motorkühlmittel-Temperatur, Rate der Kraftstoffzufuhr, Ansaugkrümmer-Druck und Abgaskrümmer-Druck. Diese geschätzten Werte für nvol können unter Verwendung von Motorkühlmittel-Temperaturmessungen weiter korrigiert werden, um Abweichungen des volumetrischen Wirkungsgrades während des Kaltstarts Rechnung zu tragen. In Gleichung (1) ist T&sub1; die Ansaugkrümmer-Temperatur, welche entweder von Sensor 58 aus Abb. 2 gemessen, oder aber - auf Grundlage der Motordrehzahl, der Rate der Kraftstoffzufuhr und der Temperatur der Ansaug-Luftladung - abgeschätzt werden kann.

Alternativ kann, anstatt W1e(k) unter Verwendung von nvol wie in Gleichung(1) abzuschätzen, der Wert der Pumpkonstante k1e als eine Funktion gemessener oder geschätzter Motorparameter abgeleitet und in der Abschätzung von W1e(k) verwendet werden.

Der Wert von W1e(k) aus Schritt 300 wird verwendet um in Schritt 302 die Abgaskrümmer-Temperatur T&sub2; zu schätzen. Diese Schätzung beruht auf dem Prinzip, daß ein Teil der durch die Verbrennung von Kraftstoff freigesetzten Energie, k&sub0;(n)Wf, durch das Abgas in Form eines Temperaturanstieges absorbiert wird. Daher gilt:

T&sub2; = T&sub1; + k&sub0;(N)Wf/(W1ecp) (2)

Die Funktion k&sub0;(N) wird aus Motor-Abbildungsdaten bestimmt, und T&sub1; kann entweder gemessen, geschätzt, oder ein konstant gegebener Wert sein. Es sind außerdem Ausführungsformen möglich wo k&sub0; von anderen Variablen abhängt.

Ist eine Schätzung der Abgaskrümmer-Temperatur gegeben, so wird der EGR-Strom (W&sub2;&sub1;(k) in Schritt 304 geschätzt. Unter Verwendung der Standard-Öffnungsgleichung wird eine statische Abbildung benutzt um den Massendurchfluß durch das EGR-Ventil zu bestimmen:

W&sub2;&sub4;(k) = f&sub1;(αegr)p&sub2;/(RT&sub2;)1/2φ(p&sub1;/p&sub2;) (3)

In Gleichung (3) stellt f&sub1;(αegr) den effektiven Durchflußquerschnitt des EGR-Ventils als Funktion der EGR-Ventilstellung dar. Diese Werte sind als Tabelle im ECU-Speicher gespeichert. Zusätzlich stellt R die Differenz zwischen der druckspezifischen Wärmekonstante und der volumenspezifischen Wärmekonstante dar, und φ stellt eine die folgende Form besitzende Standard-Öffnungsgleichung dar:

φ(r) = [2T/(T - 1))(r2/T - r(T + 1)/T)]1/2

für r ≥ (2/(T + 1))T/(T - 1)

φ(r) = T1/2(2/(T + 1))(T + 1)/(2(T - 1))

für r < (2/(T + 1))T/(T - 1)

In Schritt 306 wird der Strom durch den Abgaskrümmer durch die Massenerhaltung im stationären Zustand gegeben:

We2(k) = W1e(k) + Wf(k) (4)

Um Motorzyklus-Verzögerungen Rechnung zu tragen können W1e(k) und Wf(k) auch durch Linearfilter erster Ordnung mit geeigneten Zeitkonstanten geschickt werden. In Schritt 308 wird der Turbinenstrom W2t aus einem Rekursivfilter ermittelt. Um W2t zu berechnen wird die Dichte im Abgaskrümmer zuerst wie folgt aus dem idealen Gasgesetz gechätzt:

d&sub2; = p&sub2;/(RT&sub2;) (5)

Von der Anwendung einer zeitkontinuierlichen Laplace-Transformation auf die Massenerhaltung wird die Dichte ausgedrückt als:

d(d&sub2;)/dt (1/(s/τ&sub2; + 1))(1/V&sub2;)(-W2t - W&sub2;&sub1; + We2) (6)

worin s die Laplace-Variable ist, τ&sub2; die Filter-Zeitkonstante ist, welche abstimmbar ist, und V&sub2; das Volumen des Abgaskrümmers darstellt.

Man nehme an:

Λ = (1/(s/τ&sub2; + 1))(We2 - W&sub2;&sub1;)

und lasse den Tiefpaß-gefilterten Wert von W&sub2;&sub1; sein:

W2t = (1/(s/τ&sub2; + 1))(W&sub2;)

dann läßt man zu daß der geschätzte Wert von W2t gleich dem Tiefpaß-gefilterten Wert wird, was resultiert in:

W2t = W2t = -V&sub2;d(d&sub2;)(dt + Λ (7)

Um die Schätzung von W2t in der digitalen ECU-Steuerung zu implementieren, wird Gleichung (7) wie folgt in diskrete Zeitabschnitte zerlegt:

Λ(k + 1) = Λ(k) + τ&sub2;Ts(-Λ(k) + We2(k) - W&sub2;&sub1;(k))

dd(k)/dt = τ&sub2;(d2(k) - z&sub2;(k))

z&sub2;(k + 1) = z&sub2;(k) + τ&sub2;Ts(-z&sub2;(k) + d&sub2;(k))

worin Ts die Abtastrate darstellt.

Der Turbinen-Rückdruck wird dann in Schritt 310 unter Verwendung eines quadratischen Polynoms geschätzt, um Pexs aus W2t abzuschätzen:

Pexs = a&sub0; + a&sub1;W2t + a&sub2;W2t²

worin a&sub0;, a&sub1; und a&sub2; experimentiell bestimmte Konstantenwerte sind, die aus der Kartierung des Turbinen-Rückdrucks als einer Funktion des Massendurchflusses durch die Turbine entwickelt werden.

Aus dem Vorangegangenen wird in Schritt 312 die VGT-Stellgliedposition abgeschätzt. Experimente zeigten daß der Massendurchfluß durch die Turbine nur schwach von der Turbolader-Drehzahl abhängt. Diese Abhängigkeit ist vernachlässigbar und daher zur Abschätzung der VGT-Stellgliedposition nicht erforderlich. Dementsprechend wird der effektive Durchflußquerschnitt der Turbine (Avgt(αvgt)) aus der modifizierten Öffnungs- Durchflußgleichung wie folgt berechnet:

Avgt(αvgt) = W2t(T2)1/2/(p&sub2;Ψ(pexs/p&sub2;)) (9)

wobei

Ψ(x) = [(x - g + 1)2/B - (x - g + 1)[B+1/B]1/2 (10)

für x > PRc, und

Ψ(x) = [(PRC - g + 1)2/B - (PRc - g + 1)(B + 1)/B]1/2 (11)

für x ≤ PR

In Gleichungen (10) und (11) werden die Parameter PRc, B und g aus Turbinendaten, die vom Turbolader-Hersteller geliefert werden, regressiv ermittelt; oder aber aus Daten entwickelt, die während der Kartierung des Motors gesammelt wurden.

Der effektive Durchflußquerschnitt kann außerdem ausgedrückt werden als:

Avgt(αvgt) = (1/2)(Θ&sub1;αvgt + Θ&sub2;) (12)

worin Θ&sub1; und Θ&sub2; Parameter darstellen, die aus vom Turbolader-Hersteller gelieferten Turbinendaten regressiv ermittelt wurden; oder die aus Daten entwickelt wurden, die während der Kartierung des Motors gesammelt wurden. Eine Abbildung des effektiven VGT-Durchflußquerschnittes als eine Funktion der VGT-Stellgliedposition ist im ECU- Speicher gespeichert.

Abb. 4 trägt den geschätzten Massendurchfluß durch die VGT-Turbine als eine Funktion des Druckverhältnisses über die Turbine für verschiedene VGT- Stellgliedpositionen auf. Um die in Abb. 4 veranschaulichten Daten zu entwickeln wurde ein 2,0-Liter-Motor verwendet, der die folgenden Charakteristika aufwies: PRc = 0,44, g = 0,98, B = 2,1, Θ&sub1; = 0,056, und Θ&sub2; = 0,028. Die Stellgliedposition αvgt variierte von zwischen 0,0 und 1,0; worin 1,0 der vollständig geöffneten Stellung entspricht und 0,0 der vollständig geschlossenen Stellung entspricht. In Abb. 4 stellen die Linien 400, 402, 404, 406 und 408 entsprechend VGT-Stellgliedpositionen 0,0, 0,25, 0,5, 0,75 und 1,0 dar.

Das Abbild des effektiven Strömungsquerschnittes wird dann invertiert, um die VGT- Stellgliedposition zu liefern:

αvgt = Avgt&supmin;¹(αvgt) (13).

Ist eine Schätzung der VGT-Stellgliedposition aus Gleichung (13) gegeben, so kann der Wert der VGT-Stellgliedposition in jeder bekannten Weise verwendet werden um den Turbinenstrom, und damit MAP, zu regulieren. Ein derartiges Steuerverfahren schließt die Schritte der Bestimmung einer gewünschten VGT-Stellgliedposition als eine Funktion der Motordrehzahl und der geforderten Rate der Kraftstoffzufuhr ein, und die Erzeugung eines für den Unterschied zwischen der gewünschten VGT- Stellgliedposition und der geschätzten VGT-Stellgliedposition bezeichnenden Fehlerterms. Aus dem Fehlerterm kann leicht ein Arbeitszyklus für das VGT-Stellglied bestimmt und entlang der Signalleitung 48 von Abb. 2 übertragen werden, um das geschätzte VGT-Stellglied auf den gewünschten Wert zu steuern. Es kann jede bekannte Steuerung verwendet werden um das VGT-Stellglied in die gewünschte Position zu steuern, wie etwa ein Proportional- und Integralregler.

Die Leistung des neuartigen Schätzverfahrens für die VGT-Stellgliedposition ist in Abb. 5a-5c gezeigt. Abb. 5a trägt die Motordrehzahl (Linie 500) in U/min für die in Abb. 5b gezeigten Schritte der Kraftstoffzufuhr-Rate von 5-6-7-5 kg/h auf. Die resultierende, geschätzte VGT-Stellgliedposition ist in Abb. 5c als Linie 504 gezeigt, und die gemessene VGT-Stellgliedposition ist als Linie 506 gezeigt. Wie man erkennen kann zeigt die Schätzmethode eine enge Nachführung der gemessenen VGT-Stellgliedposition.

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 die Abgaskrümmer-Temperatur, anstatt sie zu schätzen, von einem Temperatursensor gemessen werden. Die Struktur des Schätzalgorithmus würde dieselbe bleiben, außer das ein gemessener Wert von T&sub2; anstelle seines geschätzten Wertes verwendet wird.


Anspruch[de]

1. Ein Verfahren zur Schätzung der Stellgliedposition eines Turboladers mit variabler Geometrie (VGT) (14) in einem Kompressionszündungs-Motor, der ein EGR-System (12) besitzt welches ein Ventil (34) einschließt, das einen Ansaugkrümmer (26) und einen Abgaskrümmer (28) des Motors verbindet; wobei dieser VGT (14) einen Kompressor (36) einschließt, der an eine Turbine (38) angeschlossen ist, die eine einstellbare Einlaß-Leitschaufel (44) aufweist die auf ein VGT-Stellgliedsignal reagiert; wobei der Kompressor (36) mit dem Ansaugkrümmer (26) in Verbindung steht und die Turbinen-Leitschaufel (44) mit dem Abgaskrümmer (28) in Verbindung steht, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt:

Bestimmen eines für die Abgaskrümmer-Temperatur bezeichnenden Temperaturwertes (T&sub2;);

Bestimmen eines für den Massendurchfluß durch die Turbolader-Turbine bezeichnenden Tubinenstrom-Wertes (W2t);

Bestimmen eines für den Abgaskrümmer-Druck bezeichnenden Druckwertes (p&sub2;);

Bestimmen eines für den Turbinen-Rückdruck bezeichnenden Rückdruck-Wertes (pexs); und

Erzeugen einer Positionsschätzung des VGT-Stellglied (αvgt) als eine Funktion von W2t, T&sub2;, p&sub2; und pexs.

2. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, in dem der Schritt der Bestimmung eines Temperaturwertes (T&sub2;) die Schritte umfaßt:

Bestimmen eines Ansaugtemperatur-Wertes (T&sub1;);

Bestimmen eines für den Ansaugdurchfluß des Motors bezeichnenden Ansaugstrom- Wertes (W1e); und

Abschätzen der Abgastemperatur (T&sub2;) gemäß der folgenden Gleichung:

T&sub2; = T&sub1; + k&sub0;(N)Wf/(W1ecp)

worin ko(N) die durch Verbrennung von Kraftstoff freigesetzte Energie als eine Funktion von Motordrehzahl (N) darstellt, Wf die Rate der Kraftstoffzufuhr des Motors darstellt, und cp die druckspezifische Wärmekonstante für Luft bei 300ºC darstellt.

3. Ein Verfahren gemäß Anspruch 2, worin dieser Schritt der Bestimmung eines Ansaugtemperatur-Wertes (T&sub1;) den Schritt umfaßt die Ansaugkrümmer-Temperatur über einen Temperatursensor zu messen.

4. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, in dem der Schritt der Bestimmung eines Turbinenstrom-Wertes (W2t) die Schritte umfaßt:

Bestimmen eines für den Ansaugsurchfluß bezeichnenden Ansaug-Stromwertes (W1e);

Bestimmen eines für den Durchfluß durch das EGR-Ventil bezeichnenden EGR- Stromwertes (W&sub2;&sub1;);

Bestimmen eines für den Abgasstrom vom Motor zum Abgaskrümmer bezeichnenden Abgasstrom-Wertes (We2) als Funktion von W1e und der Kraftstoff-Zufuhrrate des Motors (Wf); und

Abschätzen von W2t als Funktion von W&sub2;&sub1; und We2.

5. Ein Verfahren zur Steuerung des Luftstroms in einen Kompressionszündungs-Motor hinein, der ein Abgas-Rückführungssystem (EGR) besitzt, das ein Ventil einschließt das einen Ansaugkrümmer und einen Abgaskrümmer des Motors verbindet; und einen Turbolader mit variabler Geometrie (VGT), der einen Kompressor einschließt, der an einer Turbine amgeschlossen ist, die eine einstellbare Einlaß-Leitschaufel aufweist die auf ein VGT-Stellgliedsignal reagiert; wobei der Kompressor mit dem Ansaugkrümmer in Verbindung steht und die Turbinen-Leitschaufel mit dem Abgaskrümmer in Verbindung steht, und wobei das Verfahren umfaßt:

Bestimmen eines für die Abgaskrümmer-Temperatur bezeichnenden Temperaturwertes (T&sub2;);

Bestimmen eines für den Massendurchfluß durch die Turbolader-Turbine bezeichnenden Tubinenstrom-Wertes (W2t);

Bestimmen eines für den Abgaskrümmer-Druck bezeichnenden Druckwertes (p&sub2;);

Bestimmen eines für den Turbinen-Rückdruck bezeichnenden Rückdruck-Wertes (pexs); und

Erzeugen einer Positionsschätzung des VGT-Stellglied (αvgt) als eine Funktion von W2t, T&sub2;, p&sub2; und pexs,

Abrufen eines gewünschten Positionswertes für die VGT-Einlaß-Leitschaufeln (αvgt) aus einer nach Motordrehzahl und Rate der Kraftstoffzufuhr indizierten Tabelle von Werten;

Erzeugen eines VGT-Stellgliedposition-Befehls (Uvgt) als einer Funktion der Differenz zwischen den gewünschten und den geschätzten Positionswerten des VGT-Stellglieds; und

Anwenden von Uvgt auf die Turbinen-Leitschaufel, um die Einlaß-Leitschaufel zu den entsprechend gewünschten Werten zu steuern.

6. Ein Verfahren gemäß Anspruch 5, in dem der Schritt der Bestimmung eines Temperaturwertes (T&sub2;) die Schritte umfaßt:

Bestimmen eines Ansaugtemperatur-Wertes (T&sub1;);

Bestimmen eines für den Ansaugdurchfluß des Motors bezeichnenden Ansaugstrom-- Wertes (W1e); und

Abschätzen der Abgastemperatur (T&sub2;) gemäß der folgenden Gleichung:

T&sub2; = T&sub1; + k&sub0;(N)Wf/(W1eCp)

worin ko(N) die durch Verbrennung von Kraftstoff freigesetzte Energie als eine Funktion von Motordrehzahl (N) darstellt, Wf die Rate der Kraftstoffzufuhr des Motors darstellt, und cp die druckspezifische Wärmekonstante für Luft bei 300ºC darstellt.

7. Ein Verfahren gemäß Anspruch 5, in dem der Schritt der Bestimmung eines Turbinenstrom-Wertes (W2t) die Schritte umfaßt:

Bestimmen eines für den Ansaugsurchfluß bezeichnenden Ansaug-Stromwertes (W1e);

Bestimmen eines für den Durchfluß durch das EGR-Ventil bezeichnenden EGR- Stromwertes (W&sub2;&sub1;);

Bestimmen eines für den Abgasstrom vom Motor zum Abgaskrümmer bezeichnenden Abgasstrom-Wertes (We2) als Funktion von Wie und der Kraftstoff-Zufuhrrate des Motors (Wf); und

Abschätzen von W2t als Funktion von W&sub2;&sub1; Und We2.

8. Ein Kompressionszündungs-Motorsystem, das einen Abgasrückführungs-Durchgang (EGR-Durchgang) (32) aufweist, der ein EGR-Ventil (34) besitzt das einen Ansaugkrümmer (26) mit einem Abgaskrümmer (28) des Motors verbindet; und einen Turbolader variabler Geometrie (VGT) (14), der einen an einer Turbine (38) angeschlossenen Turbolader (36) einschließt, wobei diese Turbine eine einstellbare Einlaß-Leitschaufel (44) aufweist, der Kompressor (36) mit dem Ansaugkrümmer (26) in Verbindung steht und die Leitschaufel (44) mit dem Abgaskrümmer (28) in Verbindung steht; wobei diese Leitschaufel (44) auf ein VGT-Stellgliedsignal zur Regulierung des Ansaugkrümmer-Drucks reagiert; und eine Motor-Steuereinheit zur Regulierung des Luftstroms in diesen Motor hinein, wobei diese Motor-Steuereinheit (24) umfaßt:

einen Speicher zum Speichern eines Abbildes des volumetrischen Wirkungsgrades des Motors als Funktion von Motor-Betriebsparameter, eines Abbildes des effektiven Durchflußquerschnitts des EGR-Ventils als Funktion dieser EGR-Ventilstellung, und eines Abbildes des effektiven Durchflußquerschnitts des VGT als Funktion der Leitschaufel-Position des VGT; und

einen Rückführungssregler zur Erzeugung dieses VGT-Stellgliedsignals, wobei dieser Rückführungsregler programmiert ist um:

einen für die Abgaskrümmer-Temperatur bezeichnenden Temperatur Wert (T&sub2;) zu bestimmen;

einen für den Massendurchfluß durch die Turbolader-Turbine bezeichnenden Tubinenstrom-Wert (W2t) zu erzeugen;

einen für den Abgaskrümmer-Druck bezeichnenden Druckwert (p&sub2;) zu erzeugen;

einen für den Turbinen-Rückdruck bezeichnenden Rückdruck-Wert (pexs) zu erzeugen; und

eine Positionsschätzung des VGT-Stellglied (τ) als eine Funktion von W2t, T&sub2;, p&sub2; und pexs zu erzeugen;

einen gewünschten Positionswert für die VGT-Einlaß-Leitschaufeln (αvgt) aus einer nach Motordrehzahl und Rate der Kraftstoffzufuhr indizierten Tabelle von Werten abzurufen;

ein VGT-Stellgliedposition-Befehl (Uvgt) als ein Funktion der Differenz zwischen den gewünschten und den geschätzten Positionswerten des VGT-Stellglieds zu erzeugen; und

um Uvgt an die Turbinen-Leitschaufel zu übertragen, um die Einlaß-Leitschaufel zu den entsprechend gewünschten Werten zu steuern.

9. Eine Motor-Steuereinheit gemäß Anspruch 8, in der dieser Rückführungsregler einen Temperaturwert (T&sub2;) bestimmt durch:

Bestimmen eines Ansaugtemperatur-Wertes (T&sub1;);

Bestimmen eines für den Ansaugdurchfluß des Motors bezeichnenden Ansaugstrom- Wertes (W1e); und

Abschätzen der Abgastemperatur (T&sub2;) gemäß der folgenden Gleichung:

T&sub2; = T&sub1; + k&sub0;(N)Wf/(W1ecp)

worin ko(N) die durch Verbrennung von Kraftstoff freigesetzte Energie als eine Funktion von Motordrehzahl (N) darstellt, Wf die Rate der Kraftstoffzufuhr des Motors darstellt, und cp die druckspezifische Wärmekonstante für Luft bei 300ºC darstellt.

10. Eine Motor-Steuerungseinheit gemäß Anspruch 8, in der dieser Rückführungsregler einen Turbinenstrom-Wert (T&sub2;) bestimmt durch:

Bestimmen eines für den Durchfluß durch das EGR-Ventil bezeichnenden Ansaugstrom-Wertes (V&sub2;&sub1;);

Bestimmen eines für den Abgasstrom vom Motor zum Abgaskrümmer bezeichnenden Abgasstrom-Wertes (We2) als Funktion von W1e und der Kraftstoff-Zufuhrrate des Motors (Wf); und

Abschätzen von W2t als Funktion von W&sub2;&sub1; und We2.







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