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Steuerungsverfahren für einen turboaufgeladenen Dieselmotor mit Abgasrückführung - Dokument DE60000016T2
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE60000016T2 20.11.2003
EP-Veröffentlichungsnummer 1024264
Titel Steuerungsverfahren für einen turboaufgeladenen Dieselmotor mit Abgasrückführung
Anmelder Ford Global Technologies, Inc., Dearborn, Mich., US
Erfinder Freudenberg, James Scott, Ann Arbor, Michigan 48103, US;
Stefanopoulou, Anna, Ann Arbor, Michigan 48103, US;
Kolmanovsky, Liya V., Ypsilanti, Michigan 48197, US
Vertreter derzeit kein Vertreter bestellt
DE-Aktenzeichen 60000016
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 17.01.2000
EP-Aktenzeichen 003002896
EP-Offenlegungsdatum 02.08.2000
EP date of grant 17.10.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.11.2003
IPC-Hauptklasse F02B 37/24
IPC-Nebenklasse F02D 21/08   F02D 35/00   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung befaßt sich kompressionsdruckgezündeten Brennkraftmaschinen mit Turboladung und Abgasrückführungssystemen, und befaßt sich insbesondere mit Verfahren zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und des Anteils an Abgasrückführung in Dieselmotoren mit Turboladern mit variabler Turbinengeometrie (VGT, variable geometry turbocharger) und Abgasrückführungssystemen (AGR bzw. EGR, exhaust gas recirculation).

Schnellaufende Hochleistungsdieselmotoren werden häufig mit Turboladegebläsen versehen, welche die Leistungsdichte über einen breiteren Betriebsbereich des Motors erhöhen, sowie mit EGR-Systemen zur Reduzierung von NOx-Emissionen.

Turbolader nutzen einen Teil der Abgasenergie aus, um die Masse der in die Brennräume des Motors eingeleiteten Luftcharge zu erhöhen. Die größere Luftmasse kann mit einer größeren Kraftstoffmenge verbrannt werden, woraus sich erhöhte Leistung und ein höheres Drehmoment gegenüber atmosphärischen Saugmotoren ergibt.

Ein typischer Turbolader besteht aus einem Verdichter und einer über eine gemeinsame Welle mit diesem gekuppelte Turbine. Das Abgas treibt die Turbine an, welche den Verdichter treibt, der wiederum Umgebungsluft verdichtet und in den Ansaugkrümmer leitet. Turbolader mit veränderlicher Turbinengeometrie (VGT, variable geometry turbochargers) erlauben eine Optimierung des Ansaugluftstromes über einen Bereich von Motordrehzahlen. Dies wird dadurch bewerkstelligt, daß der Winkel der Einlaßleitschaufeln am Turbinenstator verstellt wird. Eine optimale Stellung der Einlaßleitschaufeln wird aus einer Kombination von gewünschtem Drehmomentverhalten, Kraftstoffersparnis und Emissionsanforderungen bestimmt.

EGR-Systeme werden dazu eingesetzt, NOx-Emissionen dadurch zu senken, daß der Verdünnungsfaktor (F&sub1;) im Ansaugkrümmer erhöht wird. EGR wird typischerweise mittels eines EGR-Ventils durchgeführt, das den Ansaugkrümmer mit dem Auslaßkrümmer verbindet. In den Zylindern wirkt das rückgeführte Abgas wie ein Inertgas, das die Flammen- und die Zylinderinnentemperatur senkt und damit die Bildung von NOx verringert. Andererseits verdrängt das rückgeführte Abgas Frischluft und senkt somit das Luft-Kraftstoff- Verhältnis (AFR) des im Zylinder enthaltenen Gemisches.

Sichtbarer Ruß kann vermieden werden, indem das AFR o. Luft- Kraftstoff-Verhältnis ausreichend mager gehalten wird, während niedrige NOx-Emissionswerte dadurch erzielt werden, daß F&sub1; ausreichend groß gehalten wird. Demzufolge wird die Leistung einer Motorsteuerstrategie anhand ihrer Fähigkeit bewertet, AFR und F&sub1; zu regeln. Es wird jedoch keine dieser Leistungsvariablen direkt gemessen. Herkömmliche Steuerschemata erzeugen daher Steuersignale für EGR- und VGT-Stellglieder zur Zwangsnachführung von Einstellpunkten anhand von gemessenen Variablen - im typischen Falle anhand des Ansaugkrümmerdruckes P1 (der von einem Ansaugkrümmer-Absolutdruck-Sensor (MAP) gemessen wird) und des Verdichter-Luftmassestromes Wa (der von einem Luftmassestrom-Sensor (MAF) gemessen wird). Die gewünschten Einstellpunkte werden typischerweise dadurch erzielt, daß der VGT unabhängig P&sub1; regelnd gesteuert wird, und daß EGR unabhängig Wa regelnd gesteuert wird. Dies kann zu einem hohen Kraftaufwand der Stellglieder führen, um die Zwangsnachführung der gemessenen Variablen zu sichern.

Es besteht daher ein Bedarf an einer robusten Motorsteuerstrategie mit stabiler AFR- und F&sub1;-Regelung, welche die Steuerung für EGR und VGT koordiniert.

Der vorliegenden Erfindung zufolge wird ein Verfahren zur Steuerung des Luftstromes in einem durch Kompression selbstzündenden Motor mit EGR und VGT geschaffen. Das Verfahren beinhaltet die Schritte der Bestimmung der Motordrehzahl (N(t)) und Kraftstoffeinspeisezahl (Wf(t)) sowie, ausgehend von diesen Werten, den Abruf von Soll-Werten für den Ansaugkrümmerdruck (P&sub1;*) und den Luftmassestrom (Wa*) durch den Verdichter. Diese Soll-Werte werden dann mit den gemessenen o. Ist-Werten für den Ansaugdruck (P&sub1;) und den Luftmassestrom (Wa) verglichen, so daß ein EGR-Ventil-Stellbefehl (Xegr(t)) und ein VGT-Leitschaufel- Stellbefehl (Xvgt(t)) als Funktion der gewichteten Summe aus den Differenzen zwischen P&sub1; und P&sub1;* und zwischen Wa und Wa* erzeugt werden kann. Diese Werte werden dann jeweils auf das EGR-Ventil und die Leitschaufeln des Turboladers angewandt, so daß das EGR- Ventil und die VGT-Leitschaufeln auf die jeweiligen Soll-Stellungen eingestellt werden.

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liefert eine verbesserte Steuerstrategie für eine kompressionsgezündete Brennkraftmaschine. Sie gibt Einstellpunkte für das EGR-Ventil und die VGT-Stellung aus, welche einem gewünschten AFR- und F&sub1;- Wert entsprechen. Sie liefert außerdem ein Mehrvariablen-Steuersystem, welches die VGT- und EGR-Stellglieder so koordiniert, daß die gewünschten Einstellpunkte erreicht werden.

Das vorliegende Steuerverfahren ist dadurch vorteilhaft, daß es durch entsprechende Koordination von EGR und VGT Steuersignale für die EGR- und VGT-Stellglieder erzielt, die kleiner als die bei herkömmlichen unabhängig arbeitenden Steuerstrategien anzutreffenden Signale sind. Dadurch wird der Verschleiß an den Stellgliedern verringert, und es kommt seltener zu Stellgliedsättigung als bei herkömmlichen Steuerstrategien, woraus sich ein verminderter Bedarf an aufwendiger Sättigungsbehebungslogik ergibt. Die vorliegende Steuerung ist außerdem einfach zu kalibrieren und einzustellen und ergibt eine verminderte Turbolader- Reaktionszeit im Vergleich mit herkömmlichen Steuerungen.

Die Erfindung soll nun unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beispielartig näher erläutert werden, dabei zeigt:

Fig. 1: eine schematische Ansicht einer kompressionsgezündeten Motoranlage mit einem EGR-System und einem VGT gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2: ein Blockdiagramm eines Motorsteuersystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3: ein Blockdiagramm einer Ausführungsform der Steuerung aus Fig. 2;

Fig. 4: ein Logikdiagramm der DC-Leistungs-Stellfaktormatrix von den Stellglieddaten zu den Leistungsvariablen; und

Fig. 5: ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform der Steuerung aus Fig. 2.

Nimmt man zunächst einmal Bezug auf Fig. 1, so zeigt diese eine vereinfachte schematische Darstellung eines kompressionsgezündeten Motorsystems 10, welches mit einem Abgasrückführungssystem (AGR bzw. EGR) 12 und einem Turbolader 14 mit verstellbarer Geometrie (VGT, variable geometry turbocharger) ausgerüstet ist. Ein beispielhaft dargestellter Motorblock 16 hat vier Brennräume 18. Jeder der Brennräume 18 weist eine Kraftstoff- Direkteinspritzdüse 20 auf. Die Einschaltdauer der Einspritzdüsen 20 wird von der Motorsteuerungseinheit (ECU) 24 bestimmt und über eine Signalleitung 22 übertragen. Luft strömt durch den Ansaugkrümmer 26 in die Brennräume 18 ein, und die Verbrennungsgase werden durch den Auslaßkrümmer 28 in Richtung des Pfeiles 30 abgelassen.

Zur Senkung der NOx-Emissionen ist der Motor mit einem EGR- System 12 ausgestattet. Das EGR-System 12 beinhaltet eine Leitung 32, welche den Auslaßkrümmer 28 mit dem Einlaßkrümmer 26 verbindet. Dadurch kann ein Teil der Abgase vom Auslaßkrümmer 28 in den Einlaßkrümmer 26 in Richtung des Pfeiles 31 zurückgeführt werden. Ein EGR-Ventil 34 regelt die aus dem Auslaßkrümmer 28 zurückgeführte Abgasmenge. In den Brennräumen wirkt das zurückgeleitete Abgas wie ein Inertgas, das die Flammen- und die Gastemperatur im Zylinder senkt und die Bildung von NOx verringert. Andererseits verdrängt das rückgeführte Abgas Frischluft und setzt somit das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Gemisches im Zylinder herab.

Der Turbolader 14 nutzt Energie der Abgase dazu aus, die Masse der in die Brennräume 18 des Motors eingeleiteten Luftcharge zu erhöhen. Das in Richtung des Pfeiles 30 fließende Abgas treibt den Turbolader 14. Die größere Luftmasse kann mit einer größeren Kraftstoffmenge verbrannt werden, woraus sich gegenüber herkömmlichen atmosphärischen Saugmotoren ohne Turbolader mehr Drehmoment und mehr Leistung ergibt.

Der Turbolader 14 besteht aus einem Verdichter 36 und einer über eine gemeinsame Welle 40 gekuppelte Turbine 38. Das Abgas 30 treibt die Turbine 38, welche den Verdichter 36 antreibt, der wiederum Umgebungsluft 42 verdichtet und in den Ansaugkrümmer 26 leitet (Pfeil 43). Der VGT 14 kann während des Motorbetriebes verstellt werden, indem der Strömungsquerschnitt der Turbine und der Winkel, in dem das Abgas 30 auf die Turbinenschaufeln geleitet wird, verändert werden. Dies geschieht dadurch, daß der Winkel der Einlaß-Leitschaufeln 44 der Turbine 38 verändert wird. Die optimale Position für die Einlaß-Leitschaufeln 44 wird durch die gewünschte Betriebscharakteristik des Motors bei unterschiedlichen Motordrehzahlen bestimmt.

Alle Motorsysteme, einschließlich der EGR 12, des VGT 14 und der Kraftstoffeinspritzdüsen 20, werden von der zentralen Motorsteuerung ECU gesteuert. So regelt z. B. ein Signal 46 von der ECU 24 die Stellung des EGR-Ventils, und ein Signal 48 regelt die Stellung der VGT-Leitschaufeln 44.

In der ECU 24 werden die Befehlssignale 46, 48 an die EGR 12 und den VGT 14 anhand von gemessenen Variablen und Motorbetriebsparametern mittels eines Steueralgorithmus berechnet. Sensoren sowie im ECU-Speicher residente kalibrierbare Nachschlagetabellen liefern die Motorbetriebsinformationen für die ECU 24. So liefert z. B. ein Einlaßkrümmer-Drucksensor (MAP) 50 ein Signal (P&sub1;) 52 an die ECU, welches den Druck im Ansaugkrümmer 26 anzeigt. Gleichermaßen liefert ein Auslaßkrümmer-Drucksensor (EXMP) 54 ein Signal (P&sub2;) 56 an die ECU 24, welches den Druck im Auslaßkrümmer 28 anzeigt. Des weiteren gibt ein Ansaugkrümmer- Temperatursensor 58 ein Signal (Tm) 60 an die ECU 24 ab, welches die Temperatur im Ansaugkrümmer anzeigt. Ein Luftmassestrom- Sensor (MAF) 64 liefert ebenfalls ein Signal (Wa) 66, das der ECU 24 den Luftmassestrom vom Turbolader anzeigt.

Weitere Sensoreingänge können ebenso von der ECU 24 über eine Signalleitung 62 aufgenommen werden, wie z. B. die Motorkühlwassertemperatur, Motordrehzahl und Drosselklappenstellung. Zusätzliche Fahrer-Eingaben 68 werden über eine Signalleitung 70 empfangen, so z. B. die Fahrpedalstellung oder andere Kraftstoffeinspritz-Vorgabewerte.

Die hier beschriebenen Motorsteuerverfahren betreffen alle kompressionsgezündeten Brennkraftmaschinen mit Turbolader, welche mit EGR-Systemen ausgestattet sind, unabhängig von der Art des verwendeten Kraftstoffes. Es versteht sich somit von selbst, daß jeder Bezug auf Dieselmotoren ebenso auch auf andere kompressionsgezündete Motoren zutrifft. Außerdem werden in dieser Offenlegungsschrift die folgenden Bezeichnungen zur Beschreibung gemessener oder berechneter Variablen verwendet:

N Motordrehzahl (U/min)

P&sub1; Ansaugkrümmerdruck (MAP) (kPa)

P&sub2; Auslaßkrümmerdruck (EXMP) (kPa)

P&sub3; Umgebungsluftdruck (kPa)

Wa Massestrom (MAF) vom Verdichter (kg/s)

Wegr EGR-Massestrom (kg/s)

Wf Kraftstoff-Massestrom (kg/h)

F1* gewünschter Verbrennungsgasanteil

AFR* gewünschtes Luft-Kraftstoff-Verhältnis

AFs stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhaltnis (14,6 bei Dieselkraftstoff)

Xegr EGR-Ventilstellung

Xvgt VGT-Stellposition

Das hier offenbarte Motorsteuerungsverfahren kann wie in Fig. 2 dargestellt zusammen mit bestehenden Kraftstoffbegrenzungsmaßnahmen modular zur Anwendung gebracht werden. Das Motorsteuersystem hat demzufolge vier Hauptbestandteile: (1) der Steuerblock 200 bestimmt gewünschte Einstellpunkte für den Verdichter-Massestrom (Wa*) und den Einlaßkrümmerdruck (P&sub1;*); (2) Steuerblock 202 bildet den Ruckkopplungsregler zur Erreichung der gewünschten Einstellpunkte für Wa und P&sub1;: (3) die Anlage bzw. der Motor ist durch Block 204 dargestellt; und (4) Block 206 stellt herkömmliche Kraftstoffbegrenzungsmaßnahmen dar, die z. B. auch eine Luftdichtebegrenzung und eine Begrenzung für die Anstiegsgeschwindigkeit beinhalten können. Die Erfindung betrifft in erster Linie den Einstellpunktgenerator 200 und den Regler 202 sowie deren Implementierung in einer Motorsteuerstrategie.

Steuerblock 200 empfängt als Eingänge die Motordrehzahl (N) und die geforderte Kraftstoffeinspeisemenge (Wt) und bestimmt Einstellpunkte für die Verdichter-Fördermenge (Wa*) und den Ansaugkrümmerdruck (P&sub1;*), um die Soll-Werte für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis AFR (AFR*) und den Verdünnungsanteil (F&sub1;*) zu erzielen. Die gewünschten bzw. Soll-Werte werden dadurch erreicht, daß der statische Kraftstoffverbrauch und Emissionen anhand der Motorkennfelddaten optimiert werden. Im einzelnen wird ein zweidimensionales Punktgitter aus Motordrehzahlwerten und Kraftstoffeinspeisewerten erstellt. Für jeden Punkt des Gitters werden eine optimale EGR-Ventilstellung (Xegr) und VGT- Stellmotorposition (Xvgt) bestimmt, und zwar unter Berücksichtigung von F&sub1;, Rußentwicklung und P&sub1;.

Der im EGR in den Ansaugkrümmer rückgeführte Verbrennungsgasanteil (F&sub1;) wird wie folgt berechnet:

F&sub1; = Wf[((1 + 1/AFs)/(Wf + Wa)][Wegr/(Wa + Wegr)] (1)

worin AFs das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhaltnis ist, das bei Dieselkraftstoff etwa 1/14,6 beträgt. Wa wird in Fig. 1 vom MAF-Sensor 64 gemessen, und Wegr kann aus den Messungen der CO&sub2;-Konzentration im Ansaugkrümmer, der CO&sub2;-Konzentration im Auslaßkrümmer und aus Wa errechnet werden. Messungen für Wf, Wa, Ruß und CO&sub2;-Konzentrationen werden üblicherweise beim Prüfstandslauf des Motors und der Erstellung des Kennfeldes aufgezeichnet und können auf jede beliebige bekannte Art und Weise gesammelt werden.

Bei der Erstellung der Daten für Xegr und Xvgt wird F&sub1; vorzugsweise zur Verringerung von NOx maximiert, die Rußentwicklung wird vorzugsweise unter einem akzeptablen Grenzwert gehalten, und der Ansaugkrümmerdruck P&sub1; wird zum Schutz gegen Überladung und zur Verbesserung der Kraftstoffersparnis vorzugsweise auf einen Maximalwert begrenzt.

Alternativ dazu können Xegr und Xvgt auch anhand einer maximierten gewichteten Summe aus Motorbremsmoment und F&sub1; an jedem Betriebspunkt des Motors ermittelt werden. In einem solchen Falle wird die Gewichtung der Summenfunktion experimentell so festgelegt, daß der gewünschte Leistungseffekt zwischen NOx- Produktion und Kraftstoffverbrauch gewonnen wird.

Die optimierten Werte für die Leistungsvariablen F&sub1; und AFR können wie folgt ausgedruckt werden:

z* = = t(W , N)

Diese Werte werden in der Kalibrierstufe der Steuerung eingesetzt, um bei der Definition der Optimalwerte der gemessenen Variablen behilflich zu sein.

Die optimierten Werte für die EGR-Position und die VGT-Position können wie folgt ausgedruckt werden:

u* = = u(W , N)

und die entsprechenden Werte der gemessenen Ausgange lassen sich wie folgt ausdrücken:

y* = = y(W , N)

Dementsprechend erhält man zweidimensionale Nachschlagetabellen für z*, u* und y* für jeden Motorbetriebspunkt, ausgehend von der Motordrehzahl und dem Kraftstoffdurchsatz. Stimmen die Werte für die Motordrehzahl oder den Kraftstoffdurchsatz nicht mit einem der Gitterpunktwerte überein, kann eine lineare Interpolation zwischen den Gitterwerten vorgenommen werden, um die entsprechenden Werte für z*, u* und y* zu erhalten.

Angesichts der vom Einstellpunktgenerator 200 gelieferten gewünschten Einstellpunkte Wa* und P&sub1;*, welche z* entsprechen, berechnet der Rückkopplungsregler 202 die gewünschten Werte für die EGR-Ventilposition und die VGT-Stellmotorposition zur Erzielung des gewünschten Verdichterdurchsatzes und des Ansaugdruckes.

Betrachtet man Fig. 3, so wird am Knoten 312 ein Verdichterdurchsatz-Fehlerterm erstellt, der gleich der Differenz zwischen dem (gemessenen) Verdichter-Ist-Massestrom und dem gewunschten bzw. Verdichter-Soll-Massestrom ist (Wa-Wa*). Desgleichen wird am Knoten 314 ein Ansaugdruck-Fehlerterm erstellt, der gleich der Differenz zwischen dem echten und dem gewünschten Ansaugkrümmerdruck ist (P&sub1;-P&sub1;*). Die Steuersignale für die EGR- Ventilposition und die VGT-Stellmotorposition werden in Kasten 316 auf der Grundlage der optimalen Kombinationen der Abweichungen von den Soll-Werten für Verdichter-Luftmassestrom und Ansaugkrümmerdruck vorgesehen. Diese Kombinationen werden anhand der Leistungsvariablen F&sub1; und AFR, nicht anhand der gemessenen Variablen, optimiert.

Die Steuerbefehle für den VGT-Stellmotor und das EGR-Ventil werden koordiniert durch Erkennung der statischen Stelfaktoren für jedes Stellglied in den optimalen Einstellpunkten, Xegr und Xvgt. Diese Steilfaktoren werden in einer durch Block 318 dargestellten 2 · 2 DC-Stellfaktormatrix PY angeordnet.

Zur Ermittlung von Werten für die Stellfaktormatrix Pyij für jede Kraftstoffeinspritzmenge und Motordrehzahl wird die EGR- Ventilposition und die VGT-Stellgliedposition uj um einen kleinen Betrag um den Optimalwert uj* gestört, so z. B. um 5% des Wertes uj* (Δuj = uj - uj* = 5%uj*). Dann wird die resultierende statische Differenz Δyi = yi - yi* gemessen, und die Werte für die statische Stellfaktormatrix Py werden folgendermaßen berechnet:

Pyij = Δyi/Δuj (2)

Dieser Vorgang wird fürs alle Werte von i = 1, 2 und j = 1, 2 wiederholt, sowie für alle Werte der Motordrehzahl und der Kraftstoffeinspritzmenge aus dem Gitter. Die Werte der Eingänge für Pyij werden im ECU-Speicher in einer zweidimensionalen Tabelle gespeichert. Durch lineare Interpolation werden Werte für Pyij für Motordrehzahl- und Kraftstoffeinspritzmengenwerte ermittelt, die nicht mit den Werten des Punktgitters übereinstimmen. So ergibt also die hier eingesetzte DC-Stellfaktormatrix zur Umwandlung von Stellglied-Positionsabweichungen für EGR und VGT in statische Meßabweichungen für MAF und MAP folgendes:

oder

Δy = PyΔu (4)

wobei ΔWa, ΔP&sub1;, ΔXegr, ΔXvgt, Δy und Δu Abweichungen der entsprechenden Variablen von den jeweiligen Nennwerten entsprechen.

In ähnlicher Weise zeigt Fig. 4 die DC-Stellfaktormatrix Pz 400, welche dazu entwickelt wurde, die statischen Stellfaktoren aus den EGR- und VGT-Stellgliedpositionen gegenüber den Leistungsvariablen F1 und AFR zu bestimmen. Die Werte für die Matrix Pz werden unter Verwendung einer ähnlichen Formel wie in Gleichung (2) errechnet:

Pzij = Δzi/Δuj

ausgehend von den Messungen der statischen Differenz Δzi = zi - zi*, die sich aus der Störung Δuj = uj - uj* ergibt. Dementsprechend kann die DC-Stellfaktormatrix, die zur Umwandlung der Stellgliedsignale für EGR und VGT in statische Meßwerte der Leistungsvariablen verwendet wird, folgendermaßen dargestellt werden:

oder

Δz = .PzΔu (6)

wobei ΔF&sub1;, ΔAFR, ΔXegr, ΔXegr Δz und Δu Abweichungen der entsprechenden Variablen von den jeweiligen Nennwerten entsprechen.

Nochmals Bezug auf Fig. 3 nehmend wird deutlich, daß die Koordination von EGR-Ventil und VGT-Stellmotor eine Kalibrierung aller vier Variablen c&sub1;&sub1;, c&sub1;&sub2;, c&sub2;&sub1; und c&sub2;&sub2; erfordert. Diese Variablen werden unter der Annahme kalibriert, daß bei den optimalen Einstellwerten für F&sub1; und AFR die Leistungsvariablen beinahe abhängig sind. Insbesondere bewirkt eine Erhöhung von F&sub1; eine Abnahme von AFR, und umgekehrt. Demzufolge kann die Koordinationsstrategie im Kasten 316 zu der Steuerung vereinfacht werden, die in Fig. 5 als Kasten 516 dargestellt ist. Pz wird also so zerlegt, daß Stellfaktoren g&sub1; und g&sub2; geschaffen werden, und anstatt zwei Integratoren auf zwei Signale anzuwenden, wird ein einziger Integrator und eine gewichtete Summe zur Implementierung der Steuerung verwendet. Dementsprechend werden EGR und VGT durch die Stellfaktoren g&sub1; und g&sub2; gekoppelt, und die Steuerung 516 erzwingt die Nachführung einer gewichteten Summe der Meßabweichungen durch die Stellfaktoren h&sub1; und h&sub2;. g&sub1;, g&sub2;, h&sub1; und h&sub2; werden vorzugsweise so gewählt, daß die Wirkung der Stellglieder auf AFR und F&sub1; in einer gegebenen Richtung maximiert wird. Dies geschieht deshalb, weil in dieser Ausführungsform die Stellglieder keine Autorität haben, AFR und F&sub1; unabhängig zu manipulieren. Die Stellfaktoren g&sub1; und g&sub2; werden wie folgt berechnet:

wenn

Pz11² + Pz21² < Pz12² + Pz22²,

dann

α = (1 + (Pz11P12 + Pz21Pz22)/(Pz12² + Pz22²) ²)1/2

α = (1/α)[(Pz11Pz12 + Pz21Pz22)/(Pz12² + Pz22²)] (7)

g&sub2; = (1/α) (8)

sonst

α = (1 + (Pz11Pz12 + Pz21Pz22)/(Pz11² + Pz21²) ²)1/2

g&sub1; = (1/α) (9)

g&sub2; = (1/α)[(Pz11Pz12 + Pz21Pz22)/(Pz11² + Pz21²)] (10)

Die Stellfaktoren h&sub1; und h&sub2; werden folgendermaßen errechnet:

es sei

e&sub1; = Pz11g&sub1; + Pz12g&sub2;

e&sub2; = Pz21g&sub1; + Pz22g&sub2;

und

DTPY = Py11Py22 - Py12Py21

dann können die Werte für h&sub1; und h&sub2; durch die Termini und definiert werden:

= (1/DTPy)[e&sub1;(Pz11Py22 - Pz12Py21) + e&sub2;(Pz21Py22 - Pz22Py21)]

= (1/DTPy)(e&sub1;(-Pz11Py22 + Pz12Py11) + e&sub2;(-Pz21Py12 + Pz22Py11)]

woraus sich ergibt:

h&sub1; = /( ² + ²)1/2 (11)

h&sub2; = /( ² + ²)1/2 (12)

Die Verstellfaktoren g&sub1;, g&sub2;, h&sub1; und h&sub2; werden in Nachschlagetabellen im ECU-Speicher abgelegt und werden zur Verstellfaktorprogrammierung der Steuerung über den gesamten Motorbetriebsbereich eingesetzt. Die Steuerbox 502 in Fig. 5 wird unter Verwendung einer Proportional- (kp) Integral- (ki) Steuerung in die Praxis umgesetzt und so angepaßt, daß sie die gewünschte Übergangscharakteristik im Ansprechverhalten des Motors basierend auf der EGR-Ventil- und VGT-Stellglied-Charakteristik erreicht. kp und ki sind somit konstante Werte für alle Motorbetriebszustände, wohingegen g&sub1;, g&sub2;, h&sub1; und h&sub2; wegen Pz und Py je nach Motorbetriebszustand schwanken. Alternativ dazu können kp und ki auch durch eine beliebige andere dynamische Steuerung ersetzt werden, die einen statischen Fehler Null liefert.

Zur praktischen Umsetzung des Regelungsschemas in der digitalen ECU wird für jeden Zeitwert (t) die gewichtete Summe der Meßfehler h&sub1; und h&sub2; dazu verwendet, Stellungsbefehle für das EGR- Ventil und den VGT-Stellmotor zu erzeugen, und zwar wie folgt:

Xc(t + 1) = Xc(t) + δt[h&sub1;(Wa - Wa*) + h&sub2;(P&sub1; + P&sub1;*)] (13)

Xegr(t) = Xegr*(t) + g&sub1;[kiXc(t) + kph&sub1;((wa - Wa*) + h&sub2;(P&sub1; - P&sub1;*))] (14)

Xvgt(t) = Xvgt*(t) + g&sub2;[kiXc(t) + kph&sub1;((wa - Wa*) + h&sub2;(P&sub1; - P&sub1;*))] (15)

wobei Xc(t) der Integratorzustand des Proportional-Integral- Reglers ist. Diese Befehlswerte werden dann über entsprechende Signalleitungen 46 und 48 in Fig. 1 an den Treibern der EGR- und VGT-Stellglieder angelegt.

Zwar ist die Erfindung in Verbindung mit einer oder mehreren Ausführungsformen beschrieben worden, es versteht sich jedoch von selbst, daß die Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen begrenzt ist. Z. B. kann statt der Messung des Verdichter-Massestromes (Wa) dieser auch anhand der gemessenen Ansaug- und Auslaßkrümmerdrücke und des Ansaugkrümmer-Temperatursignals geschatzt werden. Der Aufbau des Steueralgorithmus wurde der gleiche bleiben, außer daß ein Schatzwert des Verdichter-Massestromes statt eines Meßwertes eingesetzt wird.


Anspruch[de]

1. Verfahren zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und des Verbrennungsgasanteiles in einer kompressionsgezündeten Brennkraftmaschine (10) mit einem EGR-System (12), welches ein einen Ansaugkrümmer (26) und einen Auslaßkrümmer (28) der Brennkraftmaschine verbindendes Ventil (34) beinhaltet, und mit einem Turbolader (14) mit variabler Geometrie, welcher einen mit einer mit Leitschaufeln (44) ausgestatteten Turbine (38) verbundenen Verdichter (36) beinhaltet, wobei der Verdichter (36) mit dem Ansaugkrümmer (26) kommuniziert, und die Turbinenleitschaufeln (44) mit dem Auslaßkrümmer (28) kommunizieren, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

Bestimmen eines Motordrehzahlwertes (N(t)), welcher die momentane Motordrehzahl anzeigt;

Bestimmen eines Kraftstoffeinspeisemengenwertes (WF(t)) des einzuspritzenden Kraftstoffes als Funktion von N(t) und der vom Betreiber geforderten Kraftstoffeinspeisemenge;

Abrufen von Soll-Werten für den Ansaugkrümmerdruck (P&sub1;*) und den Verdichter-Massestrom (Wa*) aus einer Wertetabelle, die durch WF(t) und N(t) indexiert wird, wobei besagte Wertetabelle den Soll-Werten für das Luft-Kraftstoff-Verhaltnis und den Verbrennungsgasanteil für jeden Wert von WF(t) und N(t) entspricht;

Bestimmen eines Ansaugdruckwertes (P&sub1;), welcher den Ansaugkrümmerdruck anzeigt;

Bestimmen eines Luftmassestromwertes (Wa), welcher den Massestrom vom Verdichter anzeigt;

Erzeugen eines EGR-Ventil-Stellbefehls (Xegr(t)) und eines VGT-Leitschaufel-Stellbefehls (Xvgt(t)) als Funktion der gewichteten Summe aus der Differenz zwischen P&sub1; und P&sub1;* und der Differenz zwischen Wa und Wa*; und

Anlegen von Xegr(t) und Xvgt(t) jeweils an das EGR-Ventil und die Turbinenleitschaufeln, so daß das EGR-Ventil und die Turbinenleitschaufeln auf ihre entsprechenden Soll-Werte eingestellt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin der Schritt der Erzeugung eines EGR-Ventil-Stellbefehles (Xegr(t)) und eines VGT- Leitschaufel-Stellbefehls (Xvgt(t)) den Schritt der Erzeugung von Xegr(t) und Xvg(t) mit einem einzigen dynamischen Regler beinhaltet.

3. Verfahren nach Anspruch 2, worin besagter einziger dynamischer Regler von einem Proportional-Integral-Rückkopplungsregler gebildet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, worin der Schritt der Erzeugung eines EGR-Ventil-Stellbefehles (Xegr(t)) und eines VGT- Leitschaufel-Stellbefehls (Xvgt(t)) den Schritt der Berechnung von Xegr(t) nach folgender Gleichung:

Xegr(t) = Xegr*(t) + g&sub1;[kiXc(t) + kph&sub1;((wa - Wa*) + h&sub2;(P&sub1; - P&sub1;*))]

und der Berechnung von Xvgt(t) nach folgender Gleichung:

Xvgt(t) = Xvgt*(t) + g&sub2;[kiXc(t) + kph&sub1;((wa - Wa*) + h&sub2;(P&sub1; - P&sub1;*))]

beinhaltet,

worin g&sub1;, g&sub2;, h&sub1; und h&sub2; Verstellfaktorwerte sind, die in einer Wertetabelle abgelegt sind, welche über WF(t) und N(t) indexiert wird, ki den Verstärkungsfaktor der Integral-Rückkopplungsregler darstellt, kp den Verstärkungsfaktor des Proportional-Rückkopplungsreglers darstellt, Xegr*(t) und Xvgt*(t) jeweils die Soll-Werte für die EGR-Ventilstellung und die Turbinen-VGT-Stellung darstellen, welche den Soll-Werten für das Luft-Kraftstoff-Verhaltnis und den Verbrennungsgasanteil für jeden der Werte von WF(t) und N(t) entsprechen, und Xc(t) der Integratorzustand des Rückkopplungsreglers ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, worin der Schritt der Bestimmung eines Luftmassestromwertes (Wa) den Schritt der Messung des Massestromes mit einem Luftmassestromsensor beinhaltet.

6. Verfahren nach Anspruch 1, worin der Schritt der Bestimmung eines Luftmassestromwertes (Wa) den Schritt der Schätzung des Luftmassestromes als Funktion des Ansaugkrümmerdruckes, des Auslaßkrümmerdruckes und der Ansaugkrümmertemperatur beinhaltet.

7. Kompressionsgezündetes Motorsystem, folgendes aufweisend:

einen Abgasrückführungskanal (EGR) (32) mit einem EGR-Ventil (34), welches einen Ansaugkrümmer (26) und einen Auslaßkrümmer (28) des Motors miteinander verbindet, wobei besagtes EGR-Ventil (34) auf ein EGR-Ventil-Steuersignal zur Regelung des Anteiles von in besagten Ansaugkrümmer zurückströmenden Abgasen anspricht;

einen Turbolader (14) mit variabler Geometrie, mit einem mit einer Turbine (38) gekoppelten Verdichter (36), wobei der Verdichter (36) mit dem Ansaugkrümmer (26) kommuniziert, und die Turbine (38) mit dem Auslaßkrümmer (28) kommuniziert, wobei besagte Turbine (38) auf ein Turboladersignal zur Regelung des Ansaugkrümmerdruckes anspricht;

einen stromoberhalb des besagten Verdichters (36) angeordneten Luftmassestrom-Sensor (64) zur Stellung eines Luftmassestromsignales (Wa);

einen in besagtem Ansaugkrümmer (26) angeordneten Ansaugkrümmerdruck-Sensor (50) zur Stellung eines Ansaugkrümmerdrucksignales (P&sub1;);

eine Motorsteuerungseinheit (24) mit einem Speicher (210) und einem dynamischen Regler (202), wobei besagter Speicher eine Tabelle von Soll-Werten des Ansaugkrümmerdruckes (P&sub1;*) und von Soll-Werten des Verdichter-Massestromes (Wa*) enthält, die über die Motordrehzahl- und Kraftstoffeinspeisemengenwerte indexiert werden, welche den Soll-Werten für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis und den Verbrennungsgasanteil für jeden Wert geforderter Motor-Kraftstoffeinspeisemenge und Motordrehzahl entsprechen, wobei besagter dynamischer Regler so ausgelegt ist, daß er als Eingänge das besagte Ansaugkrümmerdrucksignal und besagtes Luftmassestromsignal empfängt und als Ausgänge besagtes EGR-Ventil- Steuersignal und besagtes Turboladersignal als Funktion der gewichteten Summe aus den Differenzen zwischen P&sub1; und P&sub1;* und zwischen Wa und Wa* ausgibt.

8. Kompressionsgezündetes Motorsystem nach Anspruch 7, worin besagter dynamischer Regler von einem Proportional-Integral-Regler gebildet wird.

9. Kompressionsgezündetes Motorsystem mit einem Abgasrückführungskanal (EGR) mit einem EGR-Ventil, welches einen Ansaugkrümmer und einen Auslaßkrümmer des Motors miteinander verbindet, wobei besagtes EGR-Ventil auf ein EGR-Ventil-Steuersignal zur Steuerung des Abgasstromes in besagten Ansaugkrümmer anspricht, und mit einem Turbolader mit variabler Geometrie (VGT) mit einem mit einer Turbine gekoppelten Verdichter, wovon der Verdichter mit dem Ansaugkrümmer und die Turbine mit dem Auslaßkrümmer kommuniziert, wobei besagte Turbine auf ein Turboladersignal zur Regelung des Ansaugkrümmerdruckes anspricht, und mit einer Motorsteuerungseinheit zur Regelung des in besagten Motor eingeleiteten Luftstromes, wobei besagte Motorsteuerungseinheit folgendes aufweist:

einen Speicher zur Speicherung von Rückkoppel-Stellfaktoren und Motorbetriebs-Soll-Werten; und

einen Rückkopplungsregler zur Erzeugung des besagten EGR- Ventil-Steuersignals und des besagten Turboladersignals, wobei besagter Rückkopplungsregler zu folgendem programmiert ist:

Abrufen, aus besagtem Speicher, eines Ansaugkrümmerdruck- Soll-Wertes (P&sub1;*) und eines Verdichterdurchsatz-Soll-Wertes (Wa*), wobei besagter P&sub1;* und Wa* Soll-Werten für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis und den Verbrennungsgasanteil für jeden der geforderten Motor-Kraftstoffeinspeisewerte (Wf(t)) und Motordrehzahlwerte (N(t)) entsprechen;

Empfangen eines Drucksignales (P&sub1;), welches den momentanen Ansaugkrümmerdruck anzeigt;

Empfangen eines Verdichterdurchsatzwertes (Wa), welcher den momentanen Verdichterdurchsatz anzeigt;

Bestimmen von Regler-Gewichtungswerten g&sub1;, g&sub2;, h&sub1; und h&sub2;;

Bestimmen von proportionalen und integralen Rückkopplungsstellfaktoren kp und ki;

Erzeugen des besagten EGR-Ventil-Steuersignals (Xegr) und des besagten Turboladersignals (Xegr) als Funktion von g&sub1;, g&sub2;, h&sub1;, h&sub2;, P&sub1;*, P&sub1;, Wa, Wa*, kp und ki; und

Ausgeben von Xvgt an besagtes EGR-Ventil zur Regelung des Verdichterdurchsatzes; und

Ausgeben von Xvgr an besagte Turboladerturbine zur Regelung des Ansaugkrümmerdruckes.

10. Kompressionsgezündetes Motorsystem nach Anspruch 9, worin besagtes EGR-Ventil-Steuersignal (Xegr) anhand folgender Gleichung erzeugt wird:

Xegr(t) = Xegr*(t) + g&sub1;[kiXc(t) + kph&sub1;((wa - Wa*) + h&sub2;(P&sub1; - P&sub1;*))]

und besagtes Turboladersignal Xvgt(t) anhand folgender Gleichung erzeugt wird:

Xvgt(t) = Xvgt*(t) + g&sub1;[kiXc(t) + kph&sub1;((wa - Wa*) + h&sub2;(P&sub1; - P&sub1;*))]

worin g&sub1;, g&sub2;, h&sub1; und h&sub2; Verstellfaktorwerte sind, die in einer Wertetabelle abgelegt sind, welche über WF(t) und N(t) indexiert wird, ki den Verstärkungsfaktor des Integral-Rückkopplungsreglers darstellt, kp den Verstärkungsfaktor des Proportional-Rückkopplungsreglers darstellt, Xegr* (t) und Xvgt* (t) jeweils die Soll-Werte für die EGR-Ventilstellung und die Turbinen-VGT-Stellung darstellen, welche den Soll-Werten für das Luft-Kraftstoff-Verhaltnis und den Verbrennungsgasanteil für jeden der Werte von WF(t) und N(t) entsprechen, und Xc(t) der Integratorzustand des Rückkopplungsreglers ist.







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