DE10120654A1

DE10120654A1 - System und Verfahren zur Steuerung der Luftfüllung bei Magermotoren mit Direkteinspritzung

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Publication number: DE10120654A1
Application number: DE10120654A
Authority: DE
Inventors: Ilya Vladimir Kolmanovsky; Jing Sun; Maria Druzhinina; Michiel Jacques Van Nieuwstadt
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2000-05-02
Filing date: 2001-04-27
Publication date: 2002-03-14
Anticipated expiration: 2021-04-28
Also published as: US6311679B1; DE10120654B4

Abstract

Ein Verfahren und ein System zur Steuerung der Luftfüllung in einem fremdgezündeten Motor mit Direkteinspritzung, das proportionale und integrierende Steuerung bei der Positionierung eines elektronischen Drosselsteuerventils und eines Auspuffgasrückführungsventils liefert, um Unsicherheiten bezüglich des EGR-Ventilstrombereichs zu kompensieren. Ein Anpassungsalgorithmus wird zur Verbesserung der Schätzung des Stroms in den Zylinder und der Drosselklappensteuerung mit offenem Regelkreis verwendet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Motorsteuerungssysteme und insbesondere auf ein System und ein Verfahren zur Steuerung der Luftfüllung bei fremdgezündeten Magermotoren, welche Un sicherheiten beim Ansaug- und Abgassystem, einschließlich EGR-Ventilstrombereich und volumetrischen Wirkungsgrades, kompensieren.

Aufgabe der Steuerung der Luftfüllung bei fremdgezündeten Ma germotoren ist die Betätigung der elektronischen Drosselklap pe und des EGR-Ventils in einer solchen Weise, daß der ge wünschte Gaszustrom zum Motor und zwecks NOx-Reduzierung der gewünschte Anteil an verbranntem Gas in diesem Strom gelie fert werden. Der an sich bekannte Ansatz bei der Steuerung der Luftfüllung ist eine Lösung mit offenem Regelkreis, wobei die gewünschten Massenstromraten durch das EGR-Ventil und die Drosselklappe als Funktion des gewünschten Anteils an ver branntem Gas im Ansaugkrümmer und des gewünschten Gasstroms in den Zylinder berechnet werden. Die gewünschten Werte der EGR-Ventilstellung und der Drosselklappenstellung werden un ter Verwendung einer Drosselklappen-Öffnungsgleichung mit be kannter effektiver Stromkennfeldfläche zurückverfolgt. Ange nommen, F_1,d ist der gewünschte Anteil an verbranntem Gas, W_cyl,d die gewünschte Gasstromrate in den Zylinder. Die ge wünschte Massenstromrate durch die Drosselklappe und die ge wünschte Massenstromrate durch das EGR-Ventil können wie folgt berechnet werden:

W_th,d = (W_cyl,d - W_egr,d),
W_egr.d = (F_1,d(W_cyl,d + W_f)W_cyl.d/W_f/(1 + λ_s),

wobei λ_s das stöchiometrische Luft-/Kraftstoffverhältnis und W_f die Rate der Motorkraftstoffversorgung ist. Die gewünschte Drosselklappenstellung u_th wird ausgehend vom Ansaugkrümmer druck p₁ dem Umgebungsdruck p_amb und der Umgebungstemperatur T_amb berechnet, während die Schätzung der Auspuffkrümmertempe ratur T₂ und des Auspuffkrümmerdrucks p₂ ebenso wie die Mes sung von p₁ herangezogen werden, um die EGR-Ventilstellung u_egr zu berechnen. Typischerweise sind die Werte von F_1,d, W_cyl,d Funktionen der Motordrehzahl, des Motordrehmoments, des Verbrennungsmodus usw., welche durch Kalibriertabellen be stimmt werden, die im Hinblick auf Kraftstoffökonomie und Emissionen optimiert werden.

Es gibt mehrere Probleme mit diesem an sich bekannten Ansatz. Zunächst ändern Rußablagerungen im EGR-Ventil und in den Rohrleitungen die effektiven Durchflußmenge des Ventils. Die ses Problem ist insbesondere schwerwiegend bei fremdgezünde ten Magermotoren mit Direkteinspritzung. Zweitens können ab hängig von dem Typ des EGR-Ventils und der Drosselklappe Ka librierverschiebungen deren tatsächliche Stellung unsicher gestalten. Aufgrund dieser Unsicherheiten werden möglicher weise die gewünschten Massenstromraten mit dem Ansatz mit of fenem Regelkreis nicht erreicht; und die Emissionsleistung des Motors bei einer gegebenen Motordrehzahl und einem gege benen Motorlastpunkt kann möglicherweise von der gewünschten Nennleistung weg bewegt werden. Auch ohne die Kalibrierver schiebung kann das Verfahren mit offenem Regelkreis mögli cherweise zu exzessivem Flattern der gewünschten Drosselklap penstellung oder EGR-Ventilstellung aufgrund von Störungen bei den Druckmessungen führen, wenn der Druckabfall über die Drosselklappe oder das EGR-Ventil gering ist. Weitere Quellen der Unsicherheit, wie z. B. Änderungen im Motorstaudruck auf grund einer Verstopfung des Auspufftraktes, können ebenfalls den Motorbetrieb in wesentlicher Weise beeinflussen.

Insbesondere wird auf die Fig. 1 bis 3 hingewiesen. Die gestrichelten Linien in diesen Figuren entsprechen den Dauer zustandswerten der NOx-Massenstromrate, der Motorauspufftem peratur und dem durch die an sich bekannte Steuerung mit of fenem Regelkreis erreichten Drehmoment als Funktion des unbe kannten Multiplikators θ_egr auf die Bereiche des, effektiven Stroms des EGR-Ventils. Der Wert von θ_egr entspricht dem Nenn fall. Inder Motormodellsimulation wurden konstante Werte der Motordrehzahl N = 2000 u/min, Kraftstoffrate W_f 2 kg/Std., Zündzeitpunkt δ = 25 vor OT und konstante gewünschte Werte des Stroms in den Zylinder W_cyl,d = 80 kg/Std. und der Anteil an verbranntem Gas F_1,d = 0,1 verwendet. Bei 40 Prozent Redu zierung des EGR-Ventilstrombereichs kommt es zu einer signi fikanten Steigerung bei den NOx-Emissionen um 50 Prozent (siehe Fig. 1). Die Fig. 2 und 3 zeigen, daß die Motoraus pufftemperatur und das Motorbremsmoment durch Änderungen bei θ_egr beeinflußt werden. Die Änderungen bei θ_egr führen zu Ände rungen bei dem Anteil an verbranntem Gas, das zum Motor ge führt wird, und demzufolge zu Motorverbrennungsabweichungen.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren offengelegt, das trotz dieser Unsicherheiten stabilen Motorbetrieb liefert. Das Ver fahren stützt sich darauf, Rückmeldungen zu dem System mit offenem Regelkreis zum Ausgleich von Unsicherheiten im EGR- Ventilstrombereich hinzuzufügen und liefert einen Anpassungs algorithmus zur Verbesserung der Schätzung des Stroms in den Zylinder und der Drosselklappensteuerung mit offenem Regel kreis. Die durchgezogenen Linien in den Fig. 1 bis 3, wel che stark reduzierte, fast nicht existente Sensibilität der Motoremissionen, der Auspufftemperatur und des Motordrehmo ments gegenüber Veränderungen in θ_egr zeigen, entsprechen ei nem der Ausführungsbeispiele, die nachstehend beschrieben werden. Einige der Ausführungsbeispiele verwenden eine Schät zung des Stroms durch das EGR-Ventil, die von einer Messung des Ansaugkrümmerdrucks abgeleitet werden.

Weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Er findung gehen aus der nachstehenden Beschreibung hervor, in der mit Bezug auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele erläu tert werden. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1-3 Vergleiche zwischen einer Konfiguration nach dem Stand der Technik (gestrichelt) und dem System nach der Erfindung (durchgezogen) in bezug auf Empfind lichkeit bezüglich NOx-Emissionen beim zugeführten Gas, Empfindlichkeit der Temperatur des zugeführten Gases und Empfindlichkeit des Motordrehmoments;

Fig. 4 ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Systems;

Fig. 5 Geschichten im Zeitablauf des Ansaugkrümmerdrucks und der EGR-Ventilstromrate (durchgezogene Linien);

Fig. 6 Geschichten im Zeitablauf der Drosselklappenstellung und der Stellung des EGR-Ventils (durchgezogene Lini en);

Fig. 7 einige Simulationsergebnisse des adaptiven Algorith mus der kleinsten Fehlerquadrate; und

Fig. 8 ein Flußdiagramm des Verfahrens nach der Erfindung.

Bester Modus für die Ausführung der Erfindung

Unter erneuter Bezugnahme auf die Zeichnungen und anfänglich auf Fig. 4 wird ein Blockdiagramm des Steuersystems nach der Erfindung gezeigt. Das System weist ein allgemein mit 10 be zeichnetes elektronisches Motorsteuergerät auf, welches wie angegeben ROM, RAM und CPU umfaßt. Das Steuergerät 10 steuert eine Reihe von Injektoren 12, 14, 16 und 18, die Kraftstoff in einen fremdgezündeten Vierzylinder-Magerdieselmotor 20 ein spritzen. Der Kraftstoff wird von einem (nicht gezeigten) Hochdruckkraftstoffsystem zugeführt und wird in präzisen Men gen und zu präzisen Zeiten, wie vom Steuergerät 10 bestimmt, direkt in die Verbrennungsräume eingespritzt. Luft tritt durch den Ansaugkrümmer 22 in die Verbrennungsräume ein, und Verbrennungsgase werden über den Auspuffkrümmer 24 abgegeben. Ein elektronisch gesteuertes Drosselklappenventil 26 wird vom Steuergerät 10 in der. Weise positioniert, daß der Luftmassen strom in den Ansaugkrümmer 22 gesteuert wird. Ein Luftmengen messer oder Luftmassenstromsensor 28 ist stromauf vom Ventil 26 angeordnet und liefert an das Steuergerät 10 ein Signal, welches einen für die Masse der in das Induktionssystem ein strömenden Luft charakteristischen Wert berechnet. Das Steu ergerät 10 übermittelt zur Abgabe eines gewünschten Motor drehmoments und zur Aufrechterhaltung eines gewünschten Luft-/Kraft stoffverhältnisses ein Kraftstoffinjektorsignal an die Injektoren.

Zur Reduzierung des Wertes der NOx-Emissionen ist der Motor mit einem Auspuffgas-Rückführungs(EGR)-System 30 angerüstet. Das EGR-System 30 weist eine den Auspuffkrümmer 24 mit dem Ansaugkrümmer 22 verbindende Leitung 32 auf. Dies erlaubt, daß ein Teil der Abgase in Pfeilrichtung vom Auspuffkrümmer 24 zum Ansaugkrümmer 22 zurückgeführt wird. Ein vom Steuerge rät 10 gesteuertes EGR-Ventil 34 regelt die Menge an Abgas, die vom Auspuffkrümmer zurückgeführt wird. In den Verbren nungsräumen wirkt das zurückgeführte Abgas als Inertgas und reduziert damit die Flammen und die Gastemperatur im Zylinder und senkt die Bildung von NOx. Auf der anderen Seite ver drängt das zurückgeführte Abgas Frischluft und reduziert das Luft-/Kraftstoffverhältnis der zylinderinternen Mischung.

Im Steuergerät 10 werden zur Positionierung des EGR-Ventils 34 und der Drosselklappe 26 mittels Steueralgorithmen aus ge messenen Variablen und Motorbetriebsparametern Steuersignale an die Aktuatoren berechnet. Sensoren und kalibrierbare Nach schlagtabellen versorgen das Steuergerät 10 mit Motorbe triebsinformationen. Beispielsweise liefert der MAP-Sensor 36 ein Signal an das Steuergerät 10, das für den Druck im An saugkrümmer 24 charakteristisch ist. Ein Temperatursensor 38 liefert ein Signal an das Steuergerät 10, das für die Tempe ratur des Gases im Ansaugkrümmer charakteristisch ist. Die Sensoren 36 und 38 können, falls, gewünscht, kombiniert wer den. Zusätzliche Sensoreingaben können ebenfalls vom Steuer gerät 10 aufgenommen werden, wie z. B. Motorkühlmitteltempera tur, Motordrehzahl, Drosselklappenstellung und Umgebungstem peratur sowie atmosphärischer Druck. Auf der Grund der Sensoreingaben und der Motorkennfelddaten, die im Speicher abgespeichert sind, steuert das Steuergerät die EGR- und Drosselklappenventile zur Regulierung des einströmenden Luft stroms.

Ein Sensor für Sauerstoff im erhitzten Gas. (HEGO-Sensor) 40 oder universeller Sensor für Sauerstoffrestgehalt der Abgase (UEGO-Sensor) erfaßt den Sauerstoffgehalt des vom Motor er zeugten Abgases und übermittelt ein Signal an das Steuergerät 10. Der Sensor 40 wird zur Steuerung des Motor-Luft-/Kraft stoffverhältnisses insbesondere während eines beliebi gen stöchiometrischen Betriebes genutzt. Ein Abgassystem, welches eines oder mehrere Auspuffrohre umfaßt, transportiert das aus der Verbrennung eines Luft-/Kraftstoffverhältnisses im Motor entstehende Abgas zu einem an sich bekannten engge kuppelten Dreiwegekatalysator (TWC) 42. Der Katalysator 42 enthält ein Katalysatormaterial, das vom Motor produziertes Abgas chemisch verändert, um ein katalysiertes Abgas zu gene rieren. Das katalysierte Abgas wird durch ein Auspuffrohr 44 zu einem stromab gelegenen NOx-Abscheider 46 und von dort über ein Endrohr 48 zur Atmosphäre geführt.

Wie dies regelmäßig erfolgt, werden die nachstehend erörter ten Steuerungs- und Anpassungsalgorithmen in kontinuierlicher Zeit spezifiziert. Es wird jedoch festgehalten, daß für die tatsächliche Implementierung die Algorithmen entweder unter Annahme eines zeitsynchronen oder kurbelwellensynchronen Samplingverfahrens unter Kompensation der durch Sampling ein geführten Verzögerung (falls notwendig) diskretisiert werden. Die von den Algorithmen verwendeten Signale sind gefilterte Formen der gemessenen Signale. Die Filter unterdrücken die periodischen Schwankungen und Störungen bei den Signalen, so daß die Mittelwerte der Signale für Steuerung und Anpassung zur Verfügung stehen. Die Verwendung linearer Filter erster oder zweiter Ordnung bzw. kurbelwellensynchrones Sampling sind Standardverfahren zur Ableitung eines Mittelwertes aus einem Signal. Im folgenden werden sämtliche Signale als ihre Mittelwerte identifiziert und mit Bezugszeichen versehen. Die Steuergeräte, die die integrale Arbeitsweise verwenden, wie z. B. proportionale und integrierende (PI) Steuergeräte, ver wenden eine Anti-Windup-Kompensation. Sie wird eingeführt, um Steuersignalsaturierung aufgrund von Aktuatorengrenzen zu be herrschen.

Ein relativ einfacher Ansatz zur Reduzierung der Empfindlich keit gegenüber Unsicherheiten im EGR-Pfad (EGR-Ventilstrom bereich, Auspuffdruck und -Temperatur) wird hinzugefügt, um Rückmeldung über die Abweichung des Ansaugkrümmerdrucks p₁ vom gewünschten Druck oder eingestellten Punkt p_1,d hinzuzufü gen:

u_egr = u_egr,d - k_p(p_1,d - p₁) - k_i∫ t|0(p_1,d - p₁(σ))dσ,
u_th = u_th,d'

wobei u_egr,d die gewünschte EGR-Ventilstellung (eine Funktion der Motordrehzahl und des vom Motor abgefragten Drehmoments) ist und u_th.d die gewünschte Drosselklappenstellung ist (ebenfalls eine Funktion der Motordrehzahl und des vom Motor abgefragten Drehmoments). Das Steuergerät paßt die EGR- Ventilstellung (aufgrund des integralen Terms) an, um die Un sicherheit im EGR-Ventilstrombereich zu korrigieren. Der vor gegabe Punkt p_1,d kann von W_cyl,d durch Umkehrung der "Geschwindigkeits-Dichte"-Gleichung (siehe Gleichung 1 unten) abgeleitet werden oder kann direkt als Funktion der Motor drehzahl, des angefragten Motordrehmoments, des Verbrennungs modus und sonstiger Variablen spezifiziert werden.

Soweit ein Luftstrommassensensor, wie z. B. der MAF-Sensor in Fig. 4, verfügbar ist, um die Durchflußmenge durch die Dros selklappe zu messen, ist eine verbesserte Konstruktion mög lich. Zunächst erfolgt eine Schätzung der Massenstromrate durch das EGR-Ventil unter Verwendung der Messungen des An saugkrümmerdrucks p₁, der Massenstromrate durch die Drossel klappe W_th und eine Schätzung des gesamten Stroms in dem Zy linder _cyl. Die Gesamtmassenstromrate in den Zylinder kann aufgrund der Geschwindigkeitsdichte-Gleichung geschätzt wer den und ist eine Funktion von Motordrehzahl (N), Ansaugkrüm merdruck (p₁) und geschätzter oder gemessener Ansaugkrümmer temperatur (T₁), d. h.

wobei k₀ eine kalibrierbare Funktion ist. Der Schätzfaktor für die EGR-Stromrate wird durch die folgenden Gleichungen beschrieben:

worin α₀ < 0 ein kalibrierbarer Parameter ist und

wobei T₁ die Ansaugkrümmertemperatur und V₁ das Volumen des Ansaugkrümmers ist. Es sollte angemerkt werden, daß die Schätzung _egr keine Kenntnis des Auspuffdrucks oder der Aus pufftemperatur oder des tatsächlichen EGR-Ventilstrombe reiches erfordert. Darüber hinaus ist eine präzise Kenntnis des Wertes von c_m für eine Genauigkeit im Dauerzustand nicht erforderlich, sie ist jedoch bei transienten Zuständen wün schenswert. Eine Rückmeldung wird dann auf die Abweichung von der Schätzung der EGR-Stromrate _egr von dem gesetzten Punkt W_egr,d aufgesetzt.

Ein dezentrales proportionales und integrierendes Steuergerät nimmt folgende Form an:

u_th = u_th,d - k_p1(p_1,d - p₁) - k_i1∫ t|0p_1,d - p₁(σ))dσ,
u_egr = u_egr,d - k_p2(W_egr,d - _egr) - k_i2∫ t|0(W_egr,d - _egr(σ))dσ,

wobei k_p1, k_p2, k_i1, k_i2 Steuergerätverstärkungen sind. Die in den Fig. 1 bis 3 durch durchgezogene Linien gezeigten Re aktionen, welche eine reduzierte Empfindlichkeit gegenüber EGR-Ventilzusetzung angeben, beruhen auf diesem Steuergerät. Die obige Form des Steuergerätes ist nicht die allein mögli che. Ein nicht lineares proportionales und integrierendes Steuergerät kann entwickelt werden unter Verwendung eines Ge schwindigkeitsgradienten-Ansatzes, bei dem ein Versuch ge macht wird, die Rate der Verschlechterung einer kosten-, "energieähnlichen" Funktion zu maximieren:

Das Ziel ist, die Q-Verschlechterung so schnell wie möglich auf null zu bringen, woraus resultiert, daß p₁ p_1,d verfolgt und _egr W_egr,d verfolgt. Spezifisch können wir definieren:

ϕ(p_1,d - p₁,p₁) = γ₁(p₁ - p_1,d)_th,
Ψ(p_1,d - p₁,p₁,W_egr,d - _egr) = γ₁(p₁p_1,d)_egr + α₀γ₂ _egr[_egr - W_egr,d].

Hierin ist _th eine Funktion von p₁, _egr ist eine Funktion von p₁, p₂ und T₂, so daß

W_th = _thu_th,W_egr= _egru_egrθ_egr,

wobei θ_egr der unbekannte Parameter ist. Anzumerken ist, daß Fehler bei der Schätzung von _egr bei dem vorgeschlagenen Steuerdesign (ähnlich einem unbekannten θ_egr-Wert) toleriert werden können. Das Steuergerät nimmt folgende Form an:

u_th = u_th,d - k_p1ϕ - k_i1∫ t|0ϕdσ,
u_egr = u_egr,d - k_p2Ψ - k_i2∫ t|0Ψdσ.

Die Fig. 5 bis 6 zeigen die transienten Reaktionen dieses Steuergerätes für den Fall, daß die unbekannte Einschränkung des EGR-Ventilstrombereiches θ_egr = 0,8 entspricht. In Fig. 5 wird die Schätzung der EGR-Ventilstromrate durch die gestri chelte Linie gezeigt, und die gesetzten Punkte durch die Punkt/Strichlinie. Das Steuergerät wird eingeschaltet bei t = 2 Sekunden. In Fig. 6 werden die Vorwärtskopplungswerte der Drosselklappenstellung und der EGR-Ventilstellung (Steuerun gen mit offenem Regelkreis) durch die Punkt/Strichlinien ge zeigt. Die tatsächliche EGR-Ventilstellung weicht von der Vorwärtskopplungssteuerung mit offenem Regelkreis im Dauerzu stand wegen der kompensatorischen Wirkung des Rückmeldungs steuergerätes ab. Es wollte angemerkt werden, daß der Schätz wert für W_egr in der Lage ist, lediglich relativ langsame Ver änderungen bei W_egr zu berücksichtigen. Während es (bei Simu lationen) möglich ist, die Schätzwertbandbreite durch Erhöhen des Wertes von α₀ zu erhöhen, ist ein "langsamer" Schätzwert ebenfalls akzeptabel, denn die Verfolgung der gesetzten Punk te ist lediglich im Dauerzustand erforderlich. In Wirklich keit würde die Bandbreite des Schätzwertes stets durch die Bemusterungsrate eingeschränkt werden. Das Steuergerät er reicht die Befehlswerte des Ansaugkrümmerdrucks und der EGR- Ventilstromrate trotz des unsicheren EGR-Ventilstromberei ches.

Die oben erörterten Rückmeldungssteuergeräte sind bezüglich Fehlern bei der Schätzung von W_cyl empfindlich. Eine Minderung bei der Stromrate in den Zylinder kann aufgrund von Ablage rungen in dem Maße auftreten, wie der Motor altert. Die Wir kung einer nicht korrekten Schätzung von W_cyl auf den Betrieb der spezifizierten Steuergeräte ist, daß W_th nach wie vor hin zu W_th,d (abgeleitet von W_cyl,d) geregelt wird, W_egr jedoch auf W_egr,d + (W_cyl - _cyl) geregelt wird, wobei _cyl eine Schätzung von W_cyl ist, die auf der Grundlage der "Geschwindigkeits dichte"-Gleichung berechnet wurde. Dies führt zu Fehlern bei der Verfolgung von W_egr,d und W_cyl,d. Ein adaptiver Steueralgo rithmus wird eingeführt, um die Schätzung von W_cyl im Maße der Alterung des Motors anzupassen.

Wenn die Rate des Stroms in den Zylinder unsicher ist, können die Gleichungen (2) und (3) die EGR-Stromrate nicht verläß lich schätzen. Die Drosselklappen-Öffnungsgleichung kann nicht für die EGR-Schätzungen herangezogen werden, sei es, weil die Schätzungen des Auspuffkrümmerdrucks und der - Temperatur (die sich auf die Schätzung der Flußrate in den Zylinder stützen) ebenfalls unsicher sind. Um somit die Glei chung (1) der Stromrate in den Zylinder zu adaptieren, sollte EGR durch Schließen des EGR-Ventils ausgeschaltet werden, oder es sollte auf Motorbetriebsbedingungen (wie z. B. Be schleunigung) gewartet werden, wenn das EGR-Ventil geschlos sen ist.

In diesem Fall

₁ = c_m(W_th - W_cyl) (4)

und es wird angenommen, daß

W_cyl = θ_cyl _cyl,

wobei θ_cyl ein unbekannter Multiplikationsfaktor ist. Die ak tuelle Schätzung von θ_cyl ist _cyl, so daß die Schätzung von W_cyl gegeben ist durch:

_cyl = _cyl _cyl.

Eine alternative Schätzung von W_cyl wird auch aus der Zeitrate der Veränderung des Ansaugkrümmerdrucks erhalten, und _cyl wird adaptiert auf der Grundlage der Differenz der beiden Schätzungen. Dies kann in einer Anzahl verschiedener Arten getan werden, und ein Algorithmus wird im folgenden beschrie ben. Die Online-Parameterschätzung kann durchgeführt werden unter Verwendung einer Mehrzahl der vorhersagefehlerbasierten Verfahren, wie z. B. des Algorithmus der kleinsten Fehlerqua drate (LS). Das Filtern beider Seiten der Systemgleichung durch einen Filter erster Ordnung wird erhalten:

Y(t) = ϕ(t)θ_cyl,

wobei

Hier wird die Standardschreibweise für den Filter in Form seiner Transferfunktionen verwendet und τ ist die Zeitkon stante des Filters erster Ordnung. Dann sieht der LS- Schätzfaktor mit Vergessensfaktor wie folgt aus:

wobei

Dieser Schätzfaktor garantiert die exponentielle Verschlech terung des Parameterfehlers = _cyl = _cyl - θ_cyl aufgrund des Fort bestehens von Erregungsbedingungen, die im allgemeinen (_cyl ≠ 0) halten.

Ein einfacheres Schema ist der Projektionsalgorithmus, der in diskreter Zeit folgende Form annimmt:

wobei α ≧ 0 und 0 < γ < 2 ist.

Ein alternatives Schema, das sich auf die Differenz zwischen dem geschätzten und dem gemessenen Ansaugkrümmerdruck stützt, kann auch für die W_cyl-Adaptierung verwendet werden. Auf der Grundlage der Gleichung (4) kann der geschätzte Ansaugkrüm merdruck auf der Grundlage des geschätzten Stroms in den Zy linder generiert werden als:

Die Differenz zwischen dem gemessenen Ansaugdruck p₁ und dem geschätzten ₁ beruht auf einem Fehler in der Zylinderstrom schätzung und kann verwendet werden, um den Parameter _cylan zupassen. Eine einfache Form des Projektionsalgorithmus in der diskreten Form lautet:

Für die Implementierung dieser adaptiven Algorithmen, welche hier offengelegt werden, wird auch ein Unempfindlichkeitsbe reich angewandt, um die Robustheit des Adaptierungsschemas bei Vorhandensein von weiteren Unsicherheiten, wie z. B. Meß störungen, sicherzustellen. Beispielsweise wird die Adaptie rung an der Zylinderstromgleichung nur dann aktiviert, wenn der Fehler zwischen dem gemessenen und dem geschätzten An saugkrümmerdruck (p₁ - ₁) eine bestimmte Schwelle überschrei tet. Unterhalb dieser Schwelle könnte dieser Fehler lediglich durch Meßstörungen verursacht werden, demzufolge wird er nicht beachtet, und die Adaptierung wird gestoppt.

Fig. 7 zeigt einige Simulationsergebnisse für den adaptiven LS-Algorithmus. Diese Simulationsergebnisse gelten für den Fall, bei dem drei Parameter, der Multiplikationsfaktor des EGR-Ventilstroms θ_egr, der Multiplikationsfaktor der Drossel klappenstromrate θ_th und der Multiplikationsfaktor der Strom rate in den Zylinder θ_cyl, unbekannt sind. In diesem Fall wird eine periodische Erregung an den Drosselklappen- und EGR- Ventil-Inputs angelegt (zu den Nennwerten hinzuaddiert), um Parameterkonvergenz sicherzustellen. Die gleichzeitige Erfas sung von drei Parametern erfordert die Kenntnis der Werte _th, _egr, und _cyl, so daß W_th = θ_th _th, W_egr = θ_egr _egr, W_cyl = θ_cyl _cyl. Da lediglich der Wert von θ_cyl erfindungsgemäß eine Adaptierung erfordert, kann die Anwendung periodischer Erre gung bei den Werten der Drosselklappe und des EGR-Ventils durch Schließen des EGR-Ventils während der Adaptierung ver mieden werden.

Ein schrittweises Verfahren, das die Anwendung periodischer Erregung vermeidet und gleichzeitig alle drei Parameter er faßt, ist ebenfalls möglich. Zunächst kann θ_th unter Verwen dung der Messungen des Luftmassenstroms adaptiert werden. θ_cyl kann dann bei geschlossenem EGR-Ventil adaptiert werden. Und schließlich kann θ_egr aufgrund der Schätzung der EGR-Stromrate W_egr adaptiert werden, die von einem Schätzfaktor geliefert wird. Da der Schätzfaktor eine korrekte Darstellung der EGR- Stromrate nur dann liefert, wenn die Schwankungen bei dieser Stromräte relativ langsam sind, kann die Kenntnis von θ_egr in einer Schätzung der EGR-Stromrate mit offenem Regelkreis ver wendet werden, W_egr = θ_egr _egr, was auch dann genau ist, wenn Veränderungen an der Stromrate schnell erfolgen. Die korrekte Schätzung der EGR-Stromrate ist für die präzise Schätzung des Anteils an verbranntem Gas im Ansaugkrümmer und demzufolge für die korrekte Festlegung des Zündzeitpunktes wichtig.

Abgesehen von den Ablagerungen ist ein weiteres Problem bei der korrekten Schätzung von W_cyl die Schätzung der Ansaugkrüm mertemperatur T₁. Wenn T₁ nicht gemessen wird, muß natürlich die entsprechende Schätzung die Information sowohl über die EGR-Stromrate als auch die Stromrate in den Zylinder berück sichtigen, welche beide jeweils geschätzt werden. Um diese "zirkelartige" Schätzungsabhängigkeit zu vermeiden, wird in Fig. 4 die Verwendung eines Ansaugkrümmertemperatursensors 38 zur Messung von T₁ vorgesehen. Typische Temperatursensoren sind recht langsam, und zusätzliche Kompensation ist erfor derlich. Diese Kompensation kann wie folgt geliefert werden. Angenommen, daß die Sensordynamik lautet:

_1,m + λT_1,m = λT₁,

wobei T₁ die Ansaugkrümmertemperatur und T_1,m ihre Messung sind, wobei 1/λ die Zeitkonstante des Temperatursensors dar stellt. Durch Regression der Motorvariablen kann eine Schät zung von T₁, ₁ beispielsweise ermittelt werden als

₁ = f(N,W_f,_t,_egr).

Diese Schätzung ist möglicherweise nicht sehr präzise und muß es auch nicht sein; und um sie zu verbessern wird eine Kor rektur zu dieser Sensormessung in der Form von

₁ = ₁ + Δ₁

hinzugefügt, wobei

Hierin ist α₀ eine kalibrierbare Konstante.

Unter Bezugnahme auf Fig. 8 wird nunmehr ein Flußdiagramm für das Verfahren nach der Erfindung gezeigt. Bei Block 60 werden die gewünschten Werte oder gesetzten Punkte für den Anteil an verbranntem Gas, den Ansaugkrümmerdruck und die Massenstrom rate in den Zylinder aktualisiert. Bei Block 62 werden die gesetzten Punkte für die Stellung von Drosselklappe und EGR- Ventil aktualisiert. Bei Block 64 werden die geschätzten Wer te der Stromrate in den Zylinder und durch die EGR- und ETC- Ventile ebenso bestimmt wie die geschätzten Werte von Ansaug krümmerdruck und -Temperatur. Bei Block 66 werden die Rück meldungskorrekturen an die Steuerung von Drosselklappe und EGR-Ventil durchgeführt. Wenn die Drosselklappenadaptierung zugelassen wird, wie dies bei Block 68 ermittelt wird, und der Fehler zwischen der geschätzten und der gemessenen Dros selklappenstromrate größer ist als eine Schwelle g₀, wie dies bei Block 70 festgestellt wird, dann werden die Werte in der Nachschlagtabelle des tatsächlichen Strombereichs angepaßt, um den bei Block 72 angegebenen Schätzfehler zu reduzieren. Ist die Drosselklappenadaptierung nicht zugelassen oder ist der Schätzfehler der Drosselklappenstromrate geringer als die Schwelle g₀, erfolgt bei Block 74 eine Prüfung, um zu ermit teln, ob die Adaptierung der Stromrate in den Zylinder zuläs sig ist. Ist sie zulässig und ist das EGR-Ventil wie bei Block 76 festgestellt nicht offen, dann wird, falls der ge schätzte Ansaugkrümmerdruckfehler größer ist als ein vorgege bener Fehlerschwellenwert f₀, wie dies bei Block 78 festge stellt wird, die Kennfeldtabelle der Luftfüllung im Zylinder wie bei Block 80 angegeben angepaßt.

Während die beste Ausführungsform zur Ausführung der Erfin dung im Detail beschrieben wurde, werden die Fachleute, an die sich die Erfindung wendet, verschiedene alternative Kon struktionen und Ausführungsformen zur Umsetzung der Erfindung erkennen, die durch die folgenden Patentansprüche definiert wird. Während beispielsweise die Erfindung in Verbindung mit einem Magermotor mit Direkteinspritzung beschrieben wurde, ist sie auch anwendbar auf einen Motor mit Einlaßkanalein spritzung.

Claims

1. Verfahren zur Steuerung der Luftfüllung bei einem fremdgezündeten Motor mit Direkteinspritzung, der ein Abgasrückführungs(EGR)-Ventil, welches den Auspuffkrüm mer und den Ansaugkrümmer des Motors verbindet, sowie ein elektronisch gesteuertes Drosselklappenventil (ETC) zur Steuerung des Luftstroms von der Atmosphäre zum An saugkrümmer des genannten Motors aufweist, welches Ver fahren dadurch gekennzeichnet ist, daß es eine Abfolge der folgenden Schritte aufweist:
Generieren eines Ansaugkrümmerdruckwertes, welcher für den gemessenen Ansaugkrümmerdruck charakteristisch ist;
Bestimmen eines gewünschten Ansaugkrümmerdruckwertes;
Bestimmen einer gewünschten EGR-Ventilstellung;
Bestimmen einer gewünschten ETC-Ventilstellung;
Anpassen der genannten ETC-Ventilstellung entsprechend der genannten gewünschten ETC-Ventilstellung; und
Anpassen der EGR-Ventilstellung durch einen Betrag, der proportional zu dem Fehler und dem Zeitintegral des Fehlers zwischen dem genannten tatsächlichen Ansaug krümmerdruck und dem genannten gewünschten Ansaugkrüm merdruck ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannten gewünschte Ansaugkrümmerdruckwert eine Funktion der Motordrehzahl und des angeforderten Motor drehmoments ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte gewünschte Ansaugkrümmerdruckwert aus der folgenden Gleichung abgeleitet wird,
p_1,d = W_cyl,d.T₁/(k₀(N).N)
wobei
W_cyl,d die gewünschte gesamte Massenstromrate in den Zy linder,
N die Motorgeschwindigkeit, T₁ die Ansaugkrümmerdruck temperatur und k₀ eine kalibrierbare Funktion sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die EGR- und ETC-Ventilstellungen entsprechend den fol genden Gleichungen ermittelt werden:
u_egr(k) = u_egr,d(k) - k_p(p_1,d(k) - p₁(k)) - k_iZ(k)
Z(k + 1) = Z(k) + (p_1,d(k) - p₁(k)).ΔT
u_th = u_th,d,
worin
ΔT das Musterzeitintervall, U_egr,d die gewünschte EGR- Ventilstellung, u_th,d die gewünschte ETC-Ventilstellung, p_1,d der gewünschte Ansaugkrümmerdruck und k_p und k_i die jeweiligen proportionalen und integralen Zunahmen sind.

5. Verfahren zur Steuerung der Luftladung bei einem fremdgezündeten Motor mit Direkteinspritzung, der ein Abgasrückführungs(EGR)-Ventil, welches den Auspuffkrüm mer und den Ansaugkrümmer des Motors verbindet, sowie ein elektronisch gesteuertes Drosselklappenventil (ETC) zur Steuerung des Luftstroms von der Atmosphäre zum An saugkrümmer des genannten Motors aufweist, welches Ver fahren dadurch gekennzeichnet ist, daß es eine Abfolge der folgenden Schritte aufweist:
Generieren eines Druckwertes, welcher für den tatsäch lichen Ansaugkrümmerdruck charakteristisch ist;
Generieren eines Massenluftstromwertes, der für den tatsächlichen Massenluftstrom durch das genannte ECT- Ventil charakteristisch ist;
Generieren eines Temperaturwertes, der für die tatsäch liche Ansaugkrümmertemperatur charakteristisch ist;
Schätzen der gesamten Massenstromrate in den Zylinder;
Schätzen der Massenstromrate durch das genannte EGR- Ventil als Funktion des genannten Druckwertes, des Mas senluftstroms durch das genannte ETC-Ventil und der ge schätzten gesamten Massenstromrate durch den genannten Zylinder; und
Anpassen der EGR-Ventilstellung durch einen Betrag, der proportional zu dem Fehler und dem Zeitintegral des Fehlers zwischen der genannten gewünschten Stromrate durch das genannte EGR-Ventil und der geschätzten Mas senstromrate durch das genannte EGR-Ventil ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, welches den zusätzlichen Schritt der Anpassung der genannten ETC-Ventilstellung um einen Betrag umfaßt, welcher zum Fehler und zum Zeitintegral des Fehlers zwischen dem genannten ge wünschten und dem tatsächlichen Ansaugkrümmerdruck pro portional ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Anpassung des genannten EGR-Ventils durch die folgende Gleichung geregelt wird:
u_egr(k) = u_egr,d(k) - k_p2(W_egr,d(k) - _egr(k)) -k_i2Z₂(k)
Z₂(k + 1) = Z₂(k) + (W_egr,d(k) - _egr(k))ΔT
wobei
ΔT das Musterzeitintervall, u_egr,d die gewünschte EGR- Ventilstellung und k_p2 und k_i2 die jeweiligen proportio nalen und integralen Zunahmen sind,
W_egr,d = (F_1,d(W_cyl,d + W_f)W_cyl,d/W_f/(1 + λ_s))
wobei λ_s das stöchiometrische Luft-/Kraftstoffver hältnis,
W_f die Motorfüllungsrate,
F_1,d der gewünschte Gasverbrennungsanteil, und
W_cyl,d die gewünschte Gasstromrate in den Zylinder ist,
worin p₁ der tatsächliche gemessene Ansaugkrümmerdruck ist und ε durch folgende Gleichung gegeben ist:
α₀ < 0 ist ein kalibrierbarer Parameter und
wobei T₁ die Ansaugkrümmertemperatur ist,
und V₁ ist das Volumen des Ansaugkrümmers,
wobei k₀ eine kalibrierbare Funktion ist, und
N ist die Motorgeschwindigkeit.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Anpassung der genannten ETC- Ventilstellung durch die folgende Gleichung geregelt wird:
u_th(k) = u_th,d(k) - k_p1(p_1,d(k) - p₁(k)) - k_i1Z₁(k)
Z₁(k + 1) = Z₁(k) + (p_1,d(k) - p₁(k)).ΔT
wobei ΔT das Musterzeitintervall, p_1,d der gewünschte Ansaugkrümmerdruck, p₁ der aktuelle Ansaugkrümmerdruck und k_p1 und k_i1 die jeweiligen proportionalen und inte gralen Zunahmen sind.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es den zusätzlichen. Schritt der Anpassung des geschätz ten gesamten Massenstroms in einen Zylinder und des ge schätzten Gesamtstroms durch die Drosselklappe zum Aus gleich für Komponentenvariation und Unsicherheit vor sieht.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Anpassungsschritt durchgeführt wird, wenn das EGR- Ventil geschlossen ist.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Massenstrom in den Zylinder aus der Zeitra te der Veränderung des Ansaugkrümmerdrucks geschätzt und der geschätzte Massenstrom unter Verwendung eines vorhersagefehlerbasierten Algorithmus angepaßt wird.

12. System zur Steuerung der Luftfüllung in einem fremdge zündeten Motor mit Direkteinspritzung, dadurch gekenn zeichnet, daß es umfaßt:
ein Abgasrückführungs(EGR)-Ventil, welches den Ansaug krümmer und den Auspuffkrümmer des Motors verbindet,
ein elektronisch gesteuertes Drosselklappenventil (ETC) zur Steuerung des Luftstroms von der Atmosphäre zum An saugkrümmer des genannten Motors,
einen Krümmerabsolutdruck(MAP)-Sensor zur Erfassung des tatsächlichen Ansaugkrümmerdrucks;
einen Massenstrom(MAF)-Sensor zur Erfassung des tat sächlichen Massenluftstroms durch das genannte ECT- Ventil;
einen Temperatursensor zur Erfassung der Ansaugkrümmer temperatur;
ein proportionales und integrierendes Steuergerät zur Positionierung des genannten ETC-Ventils als Funktion der gewünschten ETC-Ventilstellung, die Druckdifferenz zwischen einem tatsächlichen und einem gewünschten An saugkrümmerdruck, und das Integral der genannten Druck differenz und zur Positionierung des genannten EGR- Ventils als Funktion der gewünschten EGR- Ventilstellung, der Stromratendifferenz zwischen einer geschätzten EGR-Stromrate und einer gewünschten EGR- Stromrate und das Integral der genannten Stromratendif ferenz.

13. System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Massenstromrate durch das genannte EGR-Ventil eine Funktion des genannten Ansaugkrümmerdrucks, des Luft massenstroms durch das genannte ETC-Ventil und der ge schätzten gesamten Massenstromrate in einen Zylinder des genannten Motors ist.

14. System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Steuergerät programmiert wird, um die Stellung des genannten ETC-Ventils und des genannten EGR-Ventils entsprechend folgenden Gleichungen zu steu ern:
u_th(k) = u_th,d(k) - k_p1(p_1,d(k) - p₁(k)) - k_i1Z₁(k)
Z₁(k + 1) = Z₁(k) + (p_1,d(k) - p₁(k)).ΔT
u_egr(k) = u_egr,d(k) - k_p2(W_egr,d(k) - _egr(k)) - k_i2Z₂(k)
Z₂(k + 1) = Z₂(k) + (W_egr,d(k) - _egr(k))ΔT
wobei
ΔT das Musterzeitintervall, u_egr,d die gewünschte EGR- Ventilstellung und k_p2 und k_i2 die jeweiligen proporaio nalen und integralen Zunahmen sind,
W_egr,d = (F_1,d(W_cyl,d + W_f)W_cyl,d/W_f/(1 + λs))
wobei λ_s das stöchiometrische Luft-/Kraftstoffver hältnis,
W_f die Motorfüllungsrate,
F_1,d der gewünschte Gasverbrennungsanteil, und
W_cyl,d die gewünschte Gasstromrate in den Zylinder sind,
worin p₁ der tatsächliche gemessene Ansaugkrümmerdruck ist und ε durch folgende Gleichung gegeben ist:
α₀ < 0 ist ein kalibrierbarer Parameter und
wobei T₁ die Ansaugkrümmertemperatur ist,
und V₁ ist das Volumen des Ansaugkrümmers,
wobei k₀ eine kalibrierbare Funktion ist, und N ist die Motorgeschwindigkeit.

15. System zur Steuerung der Luftfüllung bei einem fremdge zündeten Motor mit Direkteinspritzung, welches System dadurch gekennzeichnet ist, daß es umfaßt:
ein Abgasrückführungs(EGR)-Ventil, welches den Ansaug krümmer und den Auspuffkrümmer des Motors verbindet, ein elektronisch gesteuertes Drosselklappenventil (ETC) zur Steuerung des Luftstroms von der Atmosphäre zum An saugkrümmer des genannten Motors,
einen Krümmerabsolutdruck(MAP)-Sensor zur Erfassung des tatsächlichen Ansaugkrümmerdrucks;
einen Massenstrom(MAF)-Sensor zur Erfassung des tat sächlichen Massenluftstroms durch das genannte ECT- Ventil;
einen Temperatursensor zur Erfassung der Ansaugkrümmer temperatur;
ein nicht lineares proportionales und integrierendes Steuergerät zur Positionierung des genannten ETC- Ventils, das in Verbindung mit folgender Gleichung auf die Outputs der genannten Sensoren reagiert:
u_th = u_th,d - k_p1ϕ - k_i1∫ t|0ϕdσ,
u_egr = u_egr,d - k_p2Ψ - k_i2∫ t|0Ψdσ.

16. System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Steuergerät die Schätzung der Massenstrom rate in einen Zylinder und die Schätzung der Ansaug krümmertemperatur anpaßt.

17. System nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Massenstrom in den Zylinder unter Verwen dung der Zeitrate der Veränderung des Ansaugkrümmer drucks und eines vorhersagefehlerbasierten Algorithmus angepaßt wird.

18. System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Steuergerät die Schätzung der Massenstrom räte in einen Zylinder anpaßt.

19. System nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Massenstrom in den Zylinder unter Verwen dung der Zeitrate der Veränderung des Ansaugkrümmer drucks und eines vorhersagefehlerbasierten Algorithmus angepaßt wird.

20. System nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Massenstrom in den Zylinder auf der Grund lage der Differenz zwischen dem geschätzten Druck und dem gemessenen Druck angepaßt wird.