DE102011006787A1

DE102011006787A1 - Verzögerungskompensierte Luft-Kraftstoff-Steuerung eines Verbrennungsmotors eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102011006787A1
Application number: DE102011006787A
Authority: DE
Inventors: William Stephen Magner; Mrdjan J. Jankovic; James Michael Kerns; Alan Robert Dona
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2010-04-14
Filing date: 2011-04-05
Publication date: 2011-10-20
Anticipated expiration: 2031-04-06
Also published as: US7987840B2; DE102011006787B4; CN102220913A; US20110132341A1; CN102220913B

Abstract

Ein Kraftstoffsteueransatz, der Zeitverzögerungen kompensiert, um die Rückkopplungsansprechgeschwindigkeit des Abgassensors zu erhöhen.

Description

Allgemeiner Stand der Technik und kurze Darstellung der Erfindung
Kraftstoff-Luft-Regelung kann im Hinblick auf Ansprechgeschwindigkeit und -genauigkeit verbessert werden, indem ein linearer oder breitbandiger kontinuierlicher UEGO-Sensor (Universal Exhaust Gas Oxygen) gegenüber einem EGO-Sensor (Exhaust Gas Oxygen) vom Schalttyp verwendet wird.
Die Erfinder haben jedoch bei einem derartigen Ansatz mehrere potentielle Probleme erkannt. Beispielsweise wird die Kraftstoff-Luft-Regelung unter Verwendung des UEGO-Sensors immer noch durch die Abgaspfaddynamik behindert. Insbesondere existiert eine relativ große Zeitverzögerung (Zeit zwischen einer Kraftstoffänderung und der ersten Anzeige einer gemessenen Kraftstoff-Luft-Verhältnis-Reaktion), die die Kraftstoff-Luft-Regelung destabilisiert, was zu einer Rückkopplungssteuerung mit einem niedrigen Verstärkungsfaktor mit schleppender Ansprechgeschwindigkeit führt. Dies beschränkt die Fähigkeit, eine aggressive Modulation der Abgaszufuhr ordnungsgemäß zu regeln, was die Katalysatoreffizienz reduziert. Weiterhin beeinträchtigt es die Fähigkeit, die Störungszurückweisung zu erleichtern, wodurch der Steueransatz für Bedingungen reduzierter Fahrfähigkeit anfälliger wird.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben ein Kraftstoffregelkreissystem für einen Motor entwickelt, das die Zeitverzögerung kompensiert, um die Ansprechgeschwindigkeit der Kraftstoffsteuerung zu erhöhen. Beispielsweise enthält das System eine Referenzeingabe zum Erzeugen eines gewünschten Kraftstoff-Luft-Signals; einen Verzögerungskompensationsfilter zum Empfangen einer Summe aus dem gewünschten Kraftstoff-Luft-Signal und einem von einem Proportional-Integral-Controller ausgegebenen Kraftstoff-Luft-Steuersignal, wobei der Verzögerungskompensationsfilter ein Verzögerungskompensationssignal liefert, ein gefiltertes gewünschtes Kraftstoff-Luft-Signal, das zum Berechnen eines Fehlersignals verwendet wird, einen Abgassensor zum Liefern eines Kraftstoff-Luft-Verhältnis-Signals, das von dem gefilterten gewünschten Kraftstoff-Luft-Signal subtrahiert wird, und dieses Ergebnis wird zu dem Verzögerungskompensationssignal addiert, um ein an den Proportional-Integral-Controller geliefertes Fehlersignal zu erzeugen, um das Kraftstoff-Luft-Steuersignal zu erzeugen, und einen transienten Kraftstoffsteuerfilter zum Verstellen des Kraftstoff-Luft-Steuersignals gemäß einer von der Motortemperatur abhängigen Zeitkonstanten und einem von der Motortemperatur abhängigen Verstärkungsfaktor, um ein von der Motortemperatur abhängiges, verzögerungskompensiertes Kraftstoff-Luft-Steuersignal zu erzeugen.
Als ein Beispiel kann der Verzögerungskompensationsfilter ein Smith-Predictor-Regelkreis sein (Smith, O. J., „A controller to overcome dead-time", ISA Journal, Band 6, S. 28–33, 1959). Der Smith-Predictor-Regelkreis enthält ein Modell, das die Zeitverzögerung des Steuersystems und die kontinuierliche Zeitdynamik des gesteuerten Systems separat charakterisiert. Der Smith-Predictor-Regelkreis kann modifiziert werden, um eine Störung des herkömmlichen Kraftstoff-Steuersystems zu vermeiden, das Mitkopplungseinstellungen auf der Basis von Referenzänderungen beispielsweise aufgrund einer variierenden Fahrernachfrage macht, und dennoch eine Verzögerungskompensation bereitzustellen, um die Stabilität des Regelsystems mit einem hohen Steuerverstärkungsfaktor aufrechtzuerhalten. Der konventionelle Smith-Predictor und die hier beschriebene modifizierte Version gestatten dem Controller, die kontinuierliche Dynamik des Systems zu regeln, wobei nur im Hinblick auf die Verzögerung verstellt wird, wenn das gemessene Signal von dem Smith-Predictor-Schätzwert differiert.
Durch Speisen des verzögerungskompensierten Kraftststoff-Luft-Steuersignals durch den transienten Kraftstoffsteuerfilter kann weiterhin das Steuersignal auf der Basis der Motortemperatur verstellt werden, um die Effekte des dynamischen Verhaltens einer Kraftstoffmenge Kraftstofflachendynamik) unter deren Umgebungsbedingungen (z. B. Druck und Temperatur) zu kompensieren. Mit anderen Worten kann das Kraftstoffsteuersignal, während die Rate der Kraftstoffverdampfung in den Ansaugports des Motors mit der Motortemperatur variiert, verstellt werden, um eine präzise Kraftstoffsteuerung aufrechtzuerhalten. Auf diese Weise kann die Genauigkeit des Ansprechens der Kraftstoffsteuerung vergrößert werden, was zu einer gesteigerten Effizienz der Emissionssteuereinrichtung und zu größerer Kraftstoffeinsparung führt. Diese Regelkreisverstellung für die Kraftstofflachendynamik ist unabhängig von und zusätzlich zu etwaigen herkömmlichen steuerkreistransientenkraftstoffkompensationsaddierern, die eine standardmäßige Kraftfahrzeugsteuerpraxis sind.
Es versteht sich, dass die obige kurze Darstellung bereitgestellt wird, um in vereinfachter Form eine Auswahl von Konzepten einzuführen, die in der folgenden detaillierten Beschreibung näher beschrieben werden. Sie soll keine wichtigen oder essentiellen Merkmale des beanspruchten Gegenstands identifizieren, dessen Schutzbereich durch die Ansprüche definiert ist, die auf die ausführliche Beschreibung folgen. Weiterhin ist der beanspruchte Gegenstand nicht auf Implementierungen beschränkt, die etwaige oben oder in irgendeinem Teil dieser Offenbarung erwähnte Nachteile lösen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung wird anhand der Lektüre der folgenden ausführlichen Beschreibung von nichtbeschränkenden Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen besser verstanden werden. Es zeigen:
1 ein Blockdiagramm eines herkömmlichen Kraftstoffregelkreissystems ohne Verzögerungskompensation,
2 ein Blockdiagramm eines Kraftstoffregelkreissystems mit einer Smith-Predictor-(SP-)Rückkopplungsschleife,
3 ein Blockdiagramm eines Kraftstoffregelkreissystems mit einem modifizierten Smith-Predictor einschließlich einem Transientenkraftstoffsteuer-(TFC)Kompensator,
4 ein Blockdiagramm des TFC-Kompensators von 3,
5 ein Blockdiagramm eines Kraftstoffregelkreissystems mit dem modifizierten Smith-Predictor, TFC-Lead-Kompensation, betreibbar in einem Kraftstoffmassenmodus,
6 das Ansprechen von verschiedenen Versionen von Kraftstoffregelkreissystemen auf eine Referenzstufenänderung und eine Störungsstufenänderung,
7 einen Vergleich der Kraftstoffsteuerung durch das Kraftstoffregelkreissystem von 1 und das Kraftstoffsteuersystem von 5 über einen Bereich von Fahrzeuggeschwindigkeiten,
8 einen Vergleich der Kohlenwasserstoff-(HC)Katalysatoreffizienz auf der Basis der Luft-Kraftstoff-Steuerung durch das Kraftstoffregelkreissystem von 1 und das Kraftstoff-Steuersystem von 5,
9 einen Vergleich der NOx-Katalysatoreffizienz auf der Basis der Luft-Kraftstoff-Steuerung durch das Kraftstoffregelkreissystem von 1 und das Kraftstoff-Steuersystem von 5,
10 ein Motorsystem, in dem ein Kraftstoff-Steuersystem der vorliegenden Offenbarung implementiert werden kann.
Ausführliche Beschreibung
1 zeigt ein Kraftstoffregelkreissystem 100 (hierin als „Steuersystem” bezeichnet), das auf der Basis einer Rückkopplung von einem linearen oder UEGO-Sensor (Universal Exhaust Gas Oxygen-Sensor) arbeitet, ohne eine Ansprechverzögerung des UEGO-Sensors zu kompensieren. Das Steuersystem 100 variiert das Kraftstoff-Luft-Verhältnis auf der Basis von Betriebsbedingungen. Eine Referenzquelle (”REF”) 114 generiert ein gewünschtes Signal am Eingang des Steuersystems 100, das durch verschiedene dazwischenliegende Steuerblöcke verstellt wird, um ein gewünschtes Kraftstoff-Steuersignal an einem Anlagenblock 110 (”PLANT”) am Ausgang des Steuersystems zu liefern. Der Anlagenblock 110 modelliert eine Verbrennungs- und Abgasstromdynamik eines Motors eines Fahrzeugs. Das gewünschte Kraftstoffsignal kann von der Referenzquelle auf der Basis des gewünschten Kraftstoff-Luft-Verhältnisses generiert werden, das ein anderer Teil des Steuersystems bestimmt, um Emissionen, Kraftstoffeinsparung und Fahrbarkeit zu optimieren. In diesen Figuren wird die Referenz als das normierte Kraftstoff-Luft-Verhältnis angenommen, das heißt es wird einen Wert von 1 haben, wenn der Kraftstoff und die Luft, die in die Verbrennungszylinder angesaugt werden, genau ausreichend Kraftstoff und Sauerstoff aufweist, um ohne irgendwelchen verbleibenden Kraftstoff oder Sauerstoff zu verbrennen (als stöchiometrische Mischung bezeichnet). Das Steuersystem 100 enthält eine physische Systemsektion 102, eine Rückkopplungssteuersektion 104 und eine Mitkopplungssteuersektion 106.
Die physische Systemsektion 102 enthält verschiedene Blöcke, die physische Komponenten eines Fahrzeugs darstellen, die für eine Kraftstoffsteuerung modelliert sind. Die physische Systemsektion 102 enthält einen Kraftstoff-Luft-Störungsblock (”FAR DIST”) 116, einen Wandbenetzungsblock 108, den Anlagenblock 110 und einen UEGO-Sensorblock 112. Der Störungsblock 116 stellt Betankungsfehler dar, die in einem wirklichen Motor existieren, wie etwa ungenaue Kraftstoffzufuhr (Einspritzdüsenvariabilität, Kraftstoffdruck usw.), Kraftstoff, der der erwarteten chemischen Zusammensetzung nicht entspricht (Beispiel: Benzin-Ethanol-Mischungen), Kraftstoff, der durch das Spülventil eintritt, Kraftstoff von der Lache nach einer großen Luftstromänderung, die die TFC nicht vollständig berücksichtigt hat usw. Eine Störung ist im Wesentlichen ein beliebiger Fehler, den die Systemdesigner nicht genau vorhersagen können und der nur durch eine Regelung entgegengewirkt werden kann. Der Wandbenetzungsblock 108 modelliert eine geschätzte Kraftstoffmenge, die an Ansaugportwänden haftet und eine Kraftstofflache bildet, die später verdampft, um das Kraftstoff-Luft-Verhältnis zu beeinflussen, und kann als das sogenannte X-Tau-Modell als ein Beispiel gekennzeichnet sein. Der Wandbenetzungsblock 108 ist in Reihe mit dem Anlagenblock geschaltet und liefert eine Eingabe an den Anlagenblock 110. Der Anlagenblock 110 modelliert eine Verbrennungs- und Abgasstromdynamik eines Motors eines Fahrzeugs. Die Sektion 102 empfängt das gewünschte Kraftstoffsignal, um eine Kraftstoffeinspritzung als Teil einer Kraftstoff-Luft-Steuerstrategie zu befehlen. Der UEGO-Sensorblock 112 misst das tatsächliche Kraftstoff-Luft-Verhältnis in dem Abgas von dem Verbrennungsmotor und liefert den gemessenen Wert als Rückkopplung in die Rückkopplungssteuersektion 104.
Die Rückkopplungssektion 104 liefert die Differenz des Steuersignals von der Referenzquelle 114 und des Rückkopplungssignals von dem UEGO-Sensorblock 112 an einen Proportional-Integral-(PI)Controller 118. Der PI-Controller 118 steuert das Steuersystem auf der Basis des Fehlers an (Differenz zwischen dem Ausgang des Steuersystems und dem Referenz- oder gewünschten Signal). Dementsprechend steuert das gewünschte Kraftstoff-Luft-Signal den Betrieb des Motors, das gemessene Kraftstoff-Luft-Verhältnis auf das gewünschte Kraftstoff-Luft-Verhältnis anzusteuern.
Die Mitkopplungssteuersektion 106 liefert das Steuersignal von der Referenzquelle 114 zum Multiplizieren mit dem einen Kraftstoff-Luft-Verhältnis plus dem fehlerkompensierten Ausgang des PI Controllers 118 (wenn kein Fehler vorliegt, schwingt der PI-Controller auf einen Wert von 0 ein). Diese Darstellung des Mitkopplungssystems zeigt eine stöchiometrische Mischung an, wenn der Wert 1 ist. Zum Verständnis dieser Struktur befiehlt das Gesamtsteuersystem, wenn kein Fehler oder keine gewünschte Verstellung vorliegt, ein Kraftstoff-Luft-Verhältnis von 1, was eine perfekte Übereinstimmung von Kraftstoff und Luft für die Verbrennung ist (was in einem anderen Teil des Steuersystems dies schließlich in Kraftstoffeinspritzbefehle umwandeln wird). Die Mitkopplungsreferenz kann, wie der Regelkreiscontroller, dieses Kraftstoff-Luft-Verhältnis von 1 verstellen (durch Multiplizieren des Ergebnisses mit einem Wert über oder unter 1). Die Absicht der Mitkopplungssteuersektion 106 besteht darin, dem Kraftstoffsystem zu gestatten, unabhängig von dem Regelkreissystem zu arbeiten. Das Regelkreissystem ist nicht freigegeben, wenn der Motor zuerst kalt startet und wenn der UEGO für Boarddiagnosetests und aus verschiedenen anderen Gründen offline genommen wird. Deshalb muss der Kraftstoffcontroller für Zeitperioden ohne Regelkreisunterstützung annehmbar gut arbeiten. Um darzustellen, wie der Controller mit dem physischen System interagiert, wird dann das Kraftstoff-Luft-Steuerungs-Plus-Referenzsignal mit dem Ausgang des Kraftstoff-Luft-Verhältnis-Störungsblocks 116 summiert und an den Wandbenetzungsblock 108 der physischen Systemsektion 102 geliefert.
Wie oben erörtert, wurde die Kraftstoffregelung in automotiven Anwendungen durch den Ersatz des schaltenden EGO-Sensors durch einen breitbandigen kontinuierlichen UEGO-Sensor weiter befähigt. Mit dem UEGO-Sensor kann die Kraftstoffeinspritzung durch einen standardmäßigen Rückkopplungsansatz wie etwa das Steuersystem 100 gesteuert werden. Das Steuersystem 100 kompensiert jedoch keine Verzögerung ab dem Zeitpunkt, zu dem das Steuersystem die Aktion ergreift (spritzt Kraftstoff ein), bis das Ergebnis bei dem UEGO-Sensor zu sehen ist. Die Verzögerung enthält die Zeit zum Verbrennen der Zylinderladung, Transportzeit für das verbrannte Gas, um den Sensor zu erreichen, und eine Verzögerung des eigentlichen Sensors. Die Verzögerung destabilisiert das Steuersystem 100, was zu einer Regelung mit niedrigem Verstärkungsfaktor führt, die ein schleppendes Ansprechen aufweist. Das schleppende Ansprechen blockiert die Fähigkeit des Steuersystems 100, eine aggressive Modulation der Abgaszufuhr ordnungsgemäß zu regeln, was dann die Katalysatoreffizienz beeinträchtigt, was in einigen Fällen größere und edelmetallintensivere Katalysatoren erfordert, um einen gegebenen Emissionsstandard zu erfüllen. Außerdem beeinträchtigt das schleppende Ansprechen die Störungszurückweisungsfähigkeit des Steuersystems 100, wodurch das System für Fahrbarkeitsprobleme für das aggressive Verwenden einer Aktivkohlefilterspülung, Anwesenheit von Verzögerungskraftstoff, aggressives Verhalten beim kalten Motorbetrieb, wenn die Kraftstofflache schwierig zu kompensieren ist, usw. anfälliger wird.
2 zeigt ein Kraftstoffregelkreissystem 200, das eine Smith-Predictor-(SP-)Steuersektion 202 zum Kompensieren der Ansprechverzögerung des UEGO-Sensors enthält. Die SP-Steuersektion 202 wirkt auch als ein Lead-Filter zum Kompensieren von die Zeitverzögerung des Steuersystems betreffenden Störungen. Die SP-Steuersektion 202 enthält einen SP-Filter oder Prädiktionsblock 204, der in Reihe mit einem SP-Verzögerungsblock 206 geschaltet ist, so dass der SP-Verzögerungsblock die Ausgabe des SP-Filterblocks erhält. Die SP-Steuersektion 202 enthält eine innere Rückkopplungsschleife, in der das von dem PI-Controller 118 ausgegebene Steuersignal zu dem Eingang des SP-Filterblocks 204 zurückgekoppelt wird. Der Block 204 verwendet eine Zeitkonstante (”TC”), die eine Funktion der Motordrehzahl und -last ist (normierte Zylinderluftladung). Block 206 verwendet eine Verzögerung, die auch eine Funktion von Motordrehzahl und -last ist. Der Smith-Predictor liefert zwei geschätzte Signale: das Ansprechen des Systems mit der reinen Verzögerung (Ausgang von 206) und ohne sie (Ausgang von 204). Der Smith-Predictor gestattet, dass der PI-Controller im Wesentlichen so arbeitet, als wenn das eigentliche System nicht die reine Verzögerung hätte oder verzögerungsfrei ist, solange der Ausgang von 206 und das gemessene Signal von 112 einander entsprechen. Im Fall einer Referenzänderung, unter der Annahme keiner Störung und dass die Blöcke 204 und 206 ein korrekt identifiziertes SP-Modell des tatsächlichen Systems haben, wird diese Annahme erfüllt und das System spricht an, als wenn keine Verzögerung existieren würde. Falls eine Störung eintritt, wird der Fehler dann als eine Differenz zwischen dem SP-Modell (206) und dem gemessenen System (112) detektiert, die der Controller zu korrigieren versucht. Auf diese Weise wird das Regelkreissystem durch den Verzögerungskompensator stabilisiert, und zwar so stark, dass höhere Verstärkungsfaktoren verwendet werden können. Deshalb hat das Ansprechen des Controllers auf eine Störung einen Spitzenfehler, der etwas reduziert ist, und die Dauer des Fehlers, die stark reduziert ist. Für das Anwenden einer Kraftstoffsteuerung macht dies die Verzögerungskompensation sehr wertvoll, da sie den integrierten Fehler des zu dem Katalysator gehenden Kraftstoff-Luft-Verhältnisses minimiert, der nur ein begrenztes Ausmaß an Kraftstoff-Luft-Abweichung von der Stöchiometrie absorbieren kann.
Die Ausgänge der Blöcke 114, 204, 206, 112 werden miteinander mit dem entsprechenden Vorzeichen summiert, um ein verzögerungskompensiertes Fehlersignal an den PI-Controller 118 zu liefern.
Komponenten des Steuersystems 200, die im Wesentlichen die gleichen wie jene des Steuersystems 100 sein können, werden auf die gleiche Weise identifiziert und werden nicht weiter beschrieben. Es wird jedoch angemerkt, dass in verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung auf die gleiche Weise identifizierte Komponenten mindestens teilweise verschieden sein können.
Das Problem mit dem Steuersystem 200 von 2 ist die Existenz sowohl der Mitkopplungssektion 106 als auch des herkömmlichen Smith-Predictors (Blöcke 204, 206). Eine Referenzänderung wird von beiden Sektionen behandelt, was ein Überreagieren des Systems verursacht, das heißt ein Überschwingen des Referenzziels und erst nach einer gewissen Zeit die Rückkehr zu dem beabsichtigten Wert. Der bevorzugte Weg, um dieses Problem zu vermeiden, besteht darin zu bewirken, dass die beiden Systeme kooperieren und die Vorteile von beiden zu erhalten.
3 zeigt ein Kraftstoffregelkreissystem 300, das die Smith-Predictor-Struktur abändert. Die erste Änderung besteht darin, dass die Referenz bei 114 nun in den Knoten summiert wird, der den Block 204 speist. Effektiv informieren wir den Smith-Predictor darüber, dass eine Referenzänderung eingetreten ist und die darauf zurückzuführende Abweichung nicht als ein Fehler zu interpretieren ist, der aggressiv verfolgt werden sollte (man denke daran, dass die Mitkopplungssektion bereits aktiv wird, die Rückkopplungssektion dies aber ohne diese Modifikation nicht sofort weiß). Die zweite Änderung ist das Filtern der Referenzeingabe mit dem Filter (304) vor dem Summierungsknoten, der in den PI-Controller eingibt. Diese beiden Änderungen gestatten dem Mitkopplungscontroller, das Ansprechen auf eine Referenzänderung zu dominieren. Falls das System aus irgendeinem Grund von diesem erwarteten Referenzansprechen abweicht, wird die Anwesenheit des Smith-Predictors dies immer noch behandeln. Die Zeitkonstante von 304 letztendlich gleich dem in 204 verwendeten Wert zu setzen, bewirkt, dass der (bei 112 gemessene) Systemausgang ohne Überschwingen auf die Referenzänderung anspricht. Falls ein Anwendungsingenieur bereit ist, etwas Überschwingen zu tolerieren, kann das Referenzansprechen vergrößert werden, indem die Zeitkonstante in 304 reduziert wird, wobei der entsprechende Kompromiss gewählt wird. Es ist wichtig anzumerken, dass diese Modifikationen nur das Ansprechen des Smith-Predictors auf Referenzänderungen beeinflussen, aber nicht sein Ansprechen auf Störungen ändern.
3 enthält auch einen Transientkraftstoffsteuer-(TFC)Richt-Kompensator 302 zum Reduzieren der Effekte des Widerstands der Kraftstofflache zu einer Änderung. Das Regelkreissystem würde schließlich die Störung der Kraftstofflache überwinden, doch würde dies die Fehlerdauer zusätzlich verlängern.
Da wir den dynamischen Effekt der Lache schützen können, können wir dieses Wissen dazu nutzen, zu bewirken, dass der Regelkreisausgang kräftiger auf eine Steuersignaländerung wirkt, insbesondere wenn der Motor kalt ist.
4 zeigt den TFC-Richt-Kompensator 302 ausführlicher. Der TFC-Richt-Kompensator 302 führt Modifizierer ein, die von der Motortemperatur abhängen, um die Effekte der Wandbenetzung zu kompensieren. Das heißt, der Kompensator wird eingeführt, um den Effekt der Wandbenetzung, bei der ein Bruchteil des eingespritzten Kraftstoffs an den Kraftstoffeinspritzportwänden haftet und eine Kraftstofflache bildet, die später verdampft, zu beseitigen oder zu reduzieren. Die Verdampfungsrate hängt von der Motortemperatur ab, so dass durch den verdampfenden Kraftstoff verursachte Störungen auf der Basis der Motortemperatur geschätzt werden können.
Der TFC-Richt-Kompensator 302 empfängt das verzögerungskompensierte Steuersignal von dem Ausgang des PI-Controllers 118. Das Steuersignal wird durch einen Tiefpassfilter 402 mit einer von der Motortemperatur abhängigen Zeitkonstante 404 geschickt. Eine Differenz des verzögerungskompensierten Steuersignals und des Ausgangs des Filters 402 erster Ordnung wird mit einem Verstärkungsfaktor 406 multipliziert, der auf der Motortemperatur basiert. Mit anderen Worten verstellt der TFC-Richt-Kompensator 302 das von dem PI-Controller 118 empfangene Kraftstoff-Luft-Steuersignal auf der Basis einer von der Motortemperatur abhängigen Zeitkonstante und einem temperaturabhängigen Verstärkungsfaktor, um ein von der Motortemperatur abhängiges Kraftstoff-Luft-Steuersignal zu erzeugen. Das Steuersignal, das durch die von der Motortemperatur abhängige Zeitkonstante und dem hochfrequenten Verstärkungsfaktor modifiziert ist, wird der Mitkopplungssteuersektion 106 zugeführt, die das gewünschte Kraftstoff-Steuersignal an die physische Systemsektion 102 ausgibt.
Der TFC-Richt-Kompensator 302 reduziert oder kompensiert die Effekte einer in dem Wandbenetzungsblock 108 modellierten Wandbenetzung auf das Steuersystem, um die Genauigkeit der Rückkopplung zu erhöhen. Der TFC-Richt-Kompensator 302 ist dahingehend eingeschränkt, die Regelkreisstabilität beizubehalten, im Gegensatz zu anderen Kompensatoren, die lediglich eine Steuerkreissteuerung bereitstellen, die Regelkreisaktionen ignoriert. Weiterhin ist der TFC-Richt-Kompensator 302 weniger komplex als andere derartige Kompensatoren.
Komponenten des Steuersystems 300, die im Wesentlichen die gleichen sein können wie jene der Steuersysteme 200 und 100, werden auf die gleiche Weise identifiziert und werden nicht weiter beschrieben. Es wird jedoch angemerkt, dass in verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung auf die gleiche Weise identifizierte Komponenten mindestens teilweise verschieden sein können.
Das Steuersystem 300 arbeitet in einem Kraftstoff-Luft-Verhältnisbereich, um das Ansprechen des Steuersystems auf Änderungen beim Luftstrom zweckmäßig zu skalieren. Unter den gleichen Bedingungen jedoch kann das Arbeiten in dem Kraftstoff-Luft-Verhältnisbereich das Ansprechen des Steuersystems entweder verlangsamen oder bewirken, dass es überreagiert. Beispielsweise können dynamische Elemente des Steuersystems (z. B. ein integraler Steuerterm wie etwa in dem PI-Controller) einen Wert übertragen, der nach einer plötzlichen großen Änderung beim Luftstrom nicht länger angemessen ist. Durch Übertragen des Werts nach Eintreten einer Änderung wird eine Unter- oder Überreaktion verursacht, die das Rückkopplungsansprechen des Steuersystems 300 behindert. Weiterhin können einige der Störungen, die das Steuersystem unterdrücken soll, als Kraftstoffmassenstörungen (oder Kraftstoffstromstörungen) gekennzeichnet werden. Durch das Arbeiten in dem Kraftstoff-Luft-Verhältnisbereich werden die Störungen nicht leicht unterdrückt und tragen zu dem Gesamtansprechfehler bei.
5 zeigt ein Kraftstoffregelkreissystem 500, das in einem Kraftstoffmassenmodus betrieben werden kann. Das Steuersystem 500 enthält dynamische Elemente, die während des Kraftstoffmassenmodus im Hinblick auf Kraftstoffmasse oder Kraftstoffstrom (anstelle von Kraftstoffluft-Verhältnis) arbeiten, um Verzögerungen zu mildern, die mit dem Führen von Kraftstoff-Luft-Verhältniswerten für eine Zeit nach dem Eintreten einer signifikanten Änderung am Luftstrom assoziiert sind. Durch Arbeiten in dem Kraftstoffmassenbereich können zudem Kraftstoffstromstörungen berücksichtigt werden, während ein konstanter Rückkopplungsverstärkungsfaktor für die ganze Rückkopplungssteuerungsschleife aufrechterhalten wird. Das von dem UEGO-Sensorblock 112 ausgegebene gemessene Kraftstoff-Luft-Verhältnis wird in den Kraftstoff-Massenbereich am Eingang des Controllers konvertiert oder skaliert, indem das Fehlersignal von dem Knoten, der die Ausgaben der Blöcke 204, 206, 304 und 112 summiert, mit einem verzögerten Luftmassen- oder Luftstromterm (AM DEL) 502 multipliziert. Weil das Kraftstoff-Luft-Verhältnis mit einer Verzögerung gemessen wird, wird zum Skalieren des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses am Eingang zum Steuersystem eine gleichermaßen verzögerte Luftmasse AM DEL verwendet. Außerdem wird das Steuersignal, das von dem PI-Controller 118 ausgegeben wird, durch den Term AM 504, eine nichtverzögerte Luftmassengröße, dividiert. Der Kraftstoffmassenmodus ist auf das Skalieren des PI-Controller beschränkt, wodurch effektiv der integrale Fehler in die Kraftstoffmasse skaliert wird.
Als ein Beispiel kann der AM-Term 504 berechnet werden, indem ein stöchiometrischer Sollwert 506 mit einem entsprechenden Wert in 508 multipliziert wird, der die Anzahl von Motorbänken angibt. Ein Luftstromterm 510 (in den ganzen Motor kommende Luft) wird durch den resultierenden Wert dividiert, um den AM-Term 504 zu liefern. Der AM-Term wird in einem Verzögerungsblock 512 eingegeben, der den AM-Term mit der gleichen Verzögerung wie 206 verzögert, um den AM-DEL-Term 502 zu erzeugen.
Durch Umwandeln der dynamischen oder Speicherelemente des Steuersystems wie etwa der integralen Steuerung in den Kraftstoffmassenbereich können große Laständerungen (Luftstromänderungen) mit wenig oder keiner Über- oder Unterkorrektur durch die Rückkopplung auftreten. Zudem können mit der Kraftstoffmasse assoziierte Störungen in der Rückkopplungsschleife berücksichtigt werden, um eine präzisere Rückkopplung mit weniger Überschwingen zu liefern. Dementsprechend kann das Steuersystem 500 ein verzögerungskompensiertes Steuersignal liefern, das die Effekte der Wandbenetzung sowie mit der Kraftstoffmasse assoziierte Störungen berücksichtigt. Auf diese Weise kann die Rückkopplungsansprechgeschwindigkeit erhöht werden, um eine präzisere Kraftstoffrückkopplung bereitzustellen. Weiterhin erleichtert die vergrößerte Ansprechgeschwindigkeit eine aggressive Kraftstoff-Luft-Modulation, was die Katalysatoreffizienz erhöht und Emissionen reduziert.
Es versteht sich, dass das Steuersystem 500 unter einigen Bedingungen in einem ersten Modus arbeiten kann, in dem die dynamischen Elemente des Steuersystems auf den Kraftstoff-Luft-Verhältnisbereich skaliert werden. Weiterhin kann das Steuersystem 500 unter einigen Bedingungen in einem zweiten Modus arbeiten, in dem die dynamischen Elemente des Steuersystems auf den Kraftstoffmassenbereich skaliert werden.
Komponenten des Steuersystems 500, die im Wesentlichen die Gleichen sein können wie jene der Steuersysteme 300, 200 und 100, werden auf die gleiche Weise identifiziert und werden nicht weiter beschrieben. Es wird jedoch angemerkt, dass in verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung auf die gleiche Weise identifizierte Komponenten mindestens teilweise verschieden sein können.
Es versteht sich, dass hierin offenbarte beispielhafte Steuersysteme und Schätzroutinen mit verschiedenen Systemkonfigurationen verwendet werden können. Diese Steuersysteme und/oder Routinen können eine oder mehrere verschiedene Verarbeitungsstrategien wie etwa ereignisgetrieben, Interrupt-getrieben, Multi-Tasking, Multi-Threading und dergleichen darstellen. Die offenbarten Prozessschritte (Operationen, Funktionen und/oder Handlungen) können als solche einen Code darstellen, der in ein computerlesbares Speichermedium in einem elektronischen Steuersystem zu programmieren ist. Wenngleich die Verarbeitungsstufen als Blöcke eines Systemdiagramms dargestellt sind, können die Verarbeitungsstufen bei einigen Ausführungsformen zudem repräsentativ sein für Schritte von einem oder mehreren Verfahren zur Kraftstoffrückkopplungssteuerung. Solche Verfahren können so ausgeführt werden, dass ein Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs gesteuert wird.
Es versteht sich, dass einige der hier beschriebenen und/oder dargestellten Prozessschritte bei einigen Ausführungsformen entfallen können, ohne von dem Schutzbereich dieser Offenbarung abzuweichen. Gleichermaßen ist die angegebene Sequenz der Prozessschritte möglicherweise nicht immer erforderlich, um die beabsichtigten Ergebnisse zu erreichen, wird aber zur Erleichterung der Darstellung und Beschreibung vorgelegt. Eine oder mehrere der dargestellten Handlungen, Funktionen oder Operationen können je nach der verwendeten jeweiligen Strategie wiederholt ausgeführt werden.
6 zeigt das normierte Kraftstoff-Luft-Verhältnisansprechen von verschiedenen Versionen der oben beschriebenen Kraftstoffregelkreissysteme auf eine Referenzeingabenänderung und eine Störung. Der Referenzschritt tritt bei der Zeit von 15 Sekunden auf und ist durch eine strichgepunktete Linie angegeben. Der Störungsschritt tritt bei der Zeit von 25 Sekunden auf und ist durch die doppelt strichpunktierte Linie angegeben.
Das durch die gestrichelte Linie angegebene Ansprechen entspricht dem Steuersystem 100, das keine Rückkopplungsverzögerungen des UEGO-Sensorsignals kompensiert. Weiterhin unterdrückt das Steuersystem kein auf eine Referenzänderung zurückzuführendes Überschwingen. Dementsprechend überschwingt das Rückkopplungsansprechen die gewünschte Referenzänderung und benötigt die längste Zeitdauer, um das Überschwingen zu korrigieren, was zu der längsten Ansprechzeit der verschiedenen Versionen des Steuersystems führt.
Das durch die gepunktete Linie angegebene Ansprechen entspricht dem Steuersystem 200, das mit dem Steuersystem assoziierte Rückkopplungsverzögerungen über eine herkömmliche SP-Steuerungsschleife kompensiert. Dementsprechend erfolgt das Rückkopplungsansprechen schneller als das Ansprechen des Steuersystems 100, doch überschwingt das Ansprechen des Steuersystems 200 immer noch die gewünschte Referenzänderung vor der Korrektur auf den gewünschten Referenzwert, was die Ansprechzeit verlängert.
Das durch die durchgezogene Linie angegebene Ansprechen entspricht dem Steuersystem 500, das mit dem Steuersystem assoziierte Rückkopplungsverzögerungen über eine SP-Steuerungsschleife kompensiert. Weiterhin enthält das Steuersystem 500 eine von der Motortemperatur abhängige Kompensation für Wandbenetzungsstörungen in Form eines TFC-Richt-Kompensators. Noch weiter enthält das Steuersystem 500 Referenzeingaben zu dem Steuersystem, die die Effekte der SP-Steuerungsschleife auf das Referenzansprechen mindern. Dementsprechend weist das Rückkopplungsansprechen des Steuersystems 500 wenig oder kein Überschwingen auf und verfolgt den gewünschten Referenzschritt genauer als das Ansprechen der anderen Steuersysteme. Die größere Genauigkeit führt relativ zu den anderen Steuersystemen zu einem insgesamt schnelleren Rückkopplungsansprechen.
7 zeigt einen Vergleich des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (Daten nicht normiert, Stöchiometrie = 14,62) des Steuersystems 100 und des Steuersystems 500, in einem Fahrzeug implementiert. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis jedes des Steuersystems wird über einen durch eine strichgepunktete Linie angegebenen Fahrzeuggeschwindigkeitsbereich gemessen. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Steuersystems 100 ist durch eine gepunktete Linie angegeben. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Steuersystems 500 ist durch eine durchgezogene Linie angegeben. Die oben beschriebenen Merkmale des Steuersystems 500 sorgen für eine Verzögerungskompensation mit wenig oder keinem Überschwingen der gewünschten Referenz, was zu einer strengeren Luft-Kraftstoff-Verhältnissteuerung über den ganzen Fahrzeuggeschwindigkeitsbereich führt. Die erhöhte Genauigkeit erleichtert eine erhöhte Katalysatorreferenz, wie in 8 und 9 gezeigt.
8 zeigt einen Vergleich der Katalysatoreffizienz eines Kohlenwasserstoffkatalysators (HC) zwischen dem Steuersystem 100 und dem Steuersystem 500 im Lauf der Zeit. Die Effizienz des Steuersystems 100 ist durch eine gepunktete Linie angegeben. Die Effizienz des Steuersystems 500 ist durch die durchgehende Linie angegeben. Wie oben erörtert und in 8 gezeigt, führt die erhöhte Ansprechgenauigkeit des Steuersystems 500 zu einer vergrößerten Katalysatoreffizienz des HC-Katalysators relativ zum Steuersystem 100.
9 zeigt einen Vergleich der Katalysatoreffizienz eines NO_x-Katalysators zwischen dem Steuersystem 100 und dem Steuersystem 500 im Lauf der Zeit. Die Effizienz des Steuersystems 100 ist durch eine gepunktete Linie angegeben. Die Effizienz des Steuersystems 500 ist durch die durchgehende Linie angegeben. Wie oben erörtert und in 9 gezeigt, führt die erhöhte Ansprechgenauigkeit des Steuersystems 500 zu einer vergrößerten Katalysatoreffizienz des NO_x-Katalysators relativ zum Steuersystem 100.
10 zeigt einen Zylinder eines Mehrzylindermotors sowie einen Ansaug- und Abgaspfad, der mit diesem Zylinder verbunden ist. Der Motor 10, wie hierin dargestellt und beschrieben, kann in einem Fahrzeug wie etwa einem Straßenfahrzeug, unter anderen Arten von Fahrzeugen, enthalten sein. Wenngleich die beispielhaften Anwendungen des Motors 10 unter Bezugnahme auf ein Fahrzeug beschrieben werden, versteht sich, dass der Motor 10 in anderen Anwendungen verwendet werden kann, die nicht notwendigerweise auf Fahrzeugantriebssysteme beschränkt sind.
Die oben unter Bezugnahme auf 1–5 beschriebenen Kraftstoffregelkreissysteme können als Teil eines Motorsteuersystems zum Steuern des Betriebs des Motors 10 implementiert werden. Das Motorsteuersystem enthält einen Controller 12, der eine Eingabe von einem Fahrzeugbediener 132 über eine Eingabeeinrichtung 130 empfängt. Bei diesem Beispiel beinhaltet die Eingabeeinrichtung 130 ein Fahrpedal und einen Pedalpositionssensor 134 zum Generieren eines proportionalen Pedalpositionssignals PP. Die Verbrennungskammer (d. h. der Zylinder) 30 des Motors 10 kann Verbrennungskammerwände 32 mit einem darin positionierten Kolben 36 enthalten. Der Kolben 36 kann an eine Kurbelwelle 40 gekoppelt sein, so dass eine Hin- und Herbewegung des Kolbens in eine Drehbewegung der Kurbelwelle umgesetzt wird. Die Kurbelwelle 40 kann an mindestens einem Antriebsrad eines Fahrzeugs über ein dazwischenliegendes Getriebesystem gekoppelt sein. Weiterhin kann ein Anlassermotor über ein Schwungrad an die Kurbelwelle 40 gekoppelt sein, um einen Anlassbetrieb des Motors 10 zu ermöglichen.
Die Verbrennungskammer 30 kann Ansaugluft vom Ansaugkrümmer 44 über die Ansaugpassage 42 erhalten und kann Verbrennungsgase über die Abgaspassage 48 ausstoßen. Der Ansaugkrümmer 44 und die Abgaspassage 48 können über ein jeweiliges Ansaugventil 52 und Abgasventile 54 selektiv mit der Verbrennungskammer 30 kommunizieren. Bei einigen Ausführungsformen kann die Verbrennungskammer 30 zwei oder mehr Ansaugventile und/oder zwei oder mehr Abgasventile enthalten.
Bei diesem Beispiel können das Ansaugventil 52 und die Abgasventile 54 durch eine Nockenbetätigung über jeweilige Nockenbetätigungssysteme 51 und 53 gesteuert werden. Die Nockenbetätigungssysteme 51 und 53 können jeweils einen oder mehrere Nocken enthalten und können eines oder mehrere der Folgenden verwenden: Nockenumschaltung (CPS – Cam Profile Switching), variable Nockenwellensteuerung (VCT – Variable Cam Timing), variable Ventilsteuerung (VVT – Variable Valve Timing) und/oder variable Ventilhubsteuerung (VVL – Variable Valve Lift), die von dem Controller 12 betätigt werden können, um den Ventilbetrieb zu variieren. Die Position des Ansaugventils 52 und des Abgasventils 54 kann durch Positionssensoren 55 bzw. 57 bestimmt werden. Bei alternativen Ausführungsformen können das Ansaugventil 52 und/oder das Abgasventil 54 durch eine elektrische Ventilbetätigung gesteuert werden. Beispielsweise kann der Zylinder 30 alternativ ein über elektrische Ventilbetätigung gesteuertes Ansaugventil und ein über Nockenbetätigung einschließlich CPS und/oder VCT gesteuertes Abgasventil enthalten.
Eine Kraftstoffeinspritzdüse 66 ist in der Ansaugpassage 44 in einer Konfiguration angeordnet gezeigt, die das bereitstellt, was als Einlasskanaleinspritzung von Kraftstoff in den Einlasskanal vor der Verbrennungskammer 30 bekannt ist. Die Kraftstoffeinspritzdüse 66 kann Kraftstoff proportional zu der Impulsbreite des über einen elektronischen Treiber 68 vom Controller 12 empfangenen Signals FPW einspritzen. Das FPW-Steuersignal kann durch ein Kraftstoffsteuersystem wie oben beschrieben gesteuert werden.
Beispielsweise kann das Steuersystem 500 ein verzögerungskompensiertes, von der Motortemperatur abhängiges Kraftstoffsteuersignal auf der Basis einer Rückkopplung vom UEGO-Sensor 112 liefern. Das Steuersystem erleichtert eine schnellere Rückkopplungsansprechgeschwindigkeit für eine vergrößerte Abgasreinigungseinrichtungseffizienz und höhere Kraftstoffeinsparung. Unter einigen Bedingungen können mindestens einige dynamische Elemente (z. B. Speicherelemente) des Steuersystems 500 in dem Kraftstoffmassenbereich arbeiten, um Kraftstoffmassen betreffende Störungen zu kompensieren, um eine vergrößerte Rückkopplungsverfolgungsgenauigkeit zu liefern. Unter einigen Bedingungen können mindestens einige dynamische Elemente des Steuersystems 500 in dem Kraftstoff-Luft-Verhältnisbereich arbeiten.
Kraftstoff kann der Kraftstoffeinspritzdüse 66 durch ein nichtgezeigtes Kraftstoffsystem zugeführt werden, das einen Kraftstofftank, eine Kraftstoffpumpe und eine Kraftstoff-Rail enthält. Bei einigen Ausführungsformen kann die Verbrennungskammer 30 alternativ oder zusätzlich eine Kraftstoffeinspritzdüse enthalten, die direkt an die Verbrennungskammer 30 gekoppelt ist, um auf eine als Direkteinspritzung bekannte Weise Kraftstoff direkt dort hinein einzuspritzen.
Die Ansaugpassage 42 kann eine Drossel 62 mit einer Drosselplatte 64 enthalten. Bei diesem bestimmten Beispiel kann die Position der Drosselplatte 64 vom Controller 12 über ein Signal variiert werden, das an einen Elektromotor oder einen Aktuator geliefert wird, der mit der Drossel 62 enthalten ist, wobei es sich um eine Konfiguration handelt, die üblicherweise als elektronische Drosselklappensteuerung (ETC – Electronic Throttle Control) bezeichnet wird. Auf diese Weise kann die Drossel 62 dahingehend betätigt werden, die unter anderen Motorzylindern an die Verbrennungskammer 30 gelieferte Ansaugluft zu variieren. Die Position der Drosselplatte 64 kann durch das Drosselpositionssignal TP an den Controller 12 geliefert werden. Die Ansaugpassage 42 kann einen Luftmassensensor 120 und einen Krümmerdrucksensor 122 zum Liefern jeweiliger Signale MAF und MAP an den Controller 12 enthalten.
Das Zündsystem 88 kann unter ausgewählten Arbeitsmodi als Reaktion auf ein Zündvorverstellungssignal SA vom Controller 12 einen Zündfunken über die Zündkerze 92 an die Verbrennungskammer 30 liefern. Wenngleich Funkentzündungskomponenten gezeigt sind, können die Verbrennungskammer 30 oder eine oder mehrere andere Verbrennungskammern des Motors 10 bei einigen Ausführungsformen in einem Verdichtungszündmodus mit oder ohne Zündfunken betrieben werden.
Der Abgassensor 112 ist an eine Abgaspassage 48 vor der Abgasreinigungseinrichtung 70 gekoppelt gezeigt. Bei dem Sensor 112 kann es sich um einen beliebigen Sensor handeln, um eine Angabe des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Abgases zu liefern, wie eines linearen Sauerstoffsensors oder UEGO (Universal or wide Range Exhaust Gas Oxygen), als Rückkopplung an das Steuersystem. Die Abgasreinigungseinrichtung 70 ist hinter dem Abgassensor 112 entlang der Abgaspassage 48 angeordnet gezeigt. Bei der Einrichtung 70 kann es sich um einen Dreiwege-Katalysator (TWC – Three Way Catalyst), eine NOx-Falle, verschiedene andere Abgasreinigungseinrichtungen oder Kombinationen davon handeln. Bei einigen Ausführungsformen kann die Abgasreinigungseinrichtung 70 während des Betriebs des Motors 10 periodisch zurückgesetzt werden, indem mindestens ein Zylinder des Motors innerhalb eines bestimmten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses betrieben wird.
Der Controller 12 ist in 1 als ein Mikrocomputer gezeigt, einschließlich Mikroprozessoreinheit 142, Eingangs-/Ausgangsports 144, einem elektronischen Speicherungsmedium für ausführbare Programme und Kalibrierungswerte, bei diesem besonderen Beispiel als Festwertspeicherchip 146 gezeigt, Direktzugriffspeicher 148, Arbeitsspeicher 150 und einem Datenbus. Der Controller 12 kann von an den Motor 10 gekoppelten Sensoren verschiedene Signale empfangen zusätzlich zu jenen bereits erörterten Signalen, einschließlich Messung der angesaugten Luftmasse (MAF – Mass Air Flow) von dem Luftmassensensor 120, Motorkühlmitteltemperatur (ECT – Engine Coolant Temperature) von dem an die Kühlmuffe 115 gekoppelten Temperatursensor 126; ein Zündungsprofilaufnehmersignal (PIP – Profile Ignition Pick Up) von einem Hall-Effekt-Sensor 119 (oder einem anderen Typ), der an die Kurbelwelle 40 gekoppelt ist; eine Drosselposition (TP) von einem Drosselpositionssensor und ein Krümmerabsolutdrucksignal MAP vom Sensor 122. Das Motordrehzahlsignal RPM kann von dem Controller 12 aus dem Signal PIP generiert werden. Das Krümmerdrucksignal MAP von einem Krümmerdrucksensor kann dazu verwendet werden, eine Angabe eines Unterdrucks oder Drucks in dem Ansaugkrümmer zu liefern. Man beachte, dass verschiedene Kombinationen der obigen Sensoren wie etwa MAF-Sensor ohne einen MAP-Sensor oder umgekehrt verwendet werden können. Während des stöchiometrischen Betriebs kann der MAP-Sensor eine Angabe des Motordrehmoments liefern. Weiterhin kann dieser Sensor zusammen mit der detektierten Motordrehzahl eine Schätzung der in den Zylinder eingesaugten Ladung (einschließlich Luft) liefern. Bei einem Beispiel kann der Sensor 119, der auch als ein Motordrehzahlsensor verwendet wird, eine vorbestimmte Anzahl von gleichmäßig beabstandeten Impulsen pro Umdrehung der Kurbelwelle erzeugen.
Das oben beschriebene Motorsystem einschließlich Sensoren und Aktuatoren kann als die physische Systemsektion in den oben beschriebenen Kraftstoffsteuersystemen modelliert werden. Der Wandbenetzungsblock 108, der Anlagenblock 110 und der UEGO-Block 112 werden ausführlicher beschrieben, wenngleich zu verstehen ist, dass jede geeignete Motorkomponente in der physischen Form des Kraftstoffsteuersystems modelliert werden kann, um ein Kraftstoffsteuersignal zu liefern.
Schließlich ist zu verstehen, dass die hierin beschriebenen Artikel, Systeme und Verfahren von beispielhafter Natur sind und dass diese spezifischen Ausführungsformen oder Beispiele nicht in einem beschränkenden Sinne anzusehen sind, weil zahlreiche Variationen in Betracht gezogen werden. Dementsprechend enthält die vorliegende Offenbarung alle neuartigen und nicht offensichtlichen Kombinationen und Teilkombinationen der hierin offenbarten verschiedenen Systeme und Verfahren, sowie beliebiger und aller Äquivalente davon.
Eine Ausführung des erfindungsgemäßen Kraftstoffregelkreissystems für einen Motor umfasst
eine Referenzeingabe zum Erzeugen eines gewünschten Kraftstoff-Luft-Signals;
einen Verzögerungskompensationsfilter mit einem Prädiktionsblock und einem Verzögerungsblock, wobei der Prädiktionsblock eine Summe des gewünschten Kraftstoff-Luft-Signals und eines verzögerungskompensierten Kraftstoff-Luft-Steuersignals empfängt und die Summe auf der Basis einer Zeitkonstanten des Steuersystems verstellt, um ein verzögerungsfreies Steuersignal zu erzeugen, das an den Verzögerungsblock geliefert wird, wobei der Verzögerungsblock das verzögerungsfreie Steuersignal so verstellt, dass es gemäß einer Verzögerung des Steuersystems verzögert ist, um ein verzögertes Steuersignal bereitzustellen, wobei das verzögerungsfreie Steuersignal von dem verzögerten Steuersignal subtrahiert wird, um ein Systemverzögerungskompensationssignal zu erzeugen;
einen Abgassensor zum Bereitstellen eines Kraftstoff-Luft-Verhältnis-Signals, das von einem gefilterten Kraftstoffsteuersignal subtrahiert und zu dem Systemverzögerungskompensationssignal addiert wird, um ein Fehlersignal zu erzeugen, das an einen Proportional-Integral-Controller geliefert wird, um das verzögerungskompensierte Steuersignal zu erzeugen;
einen transienten Kraftstoffsteuerfilter zum Verstellen des verzögerungskompensierten Steuersignals gemäß einer von der Motortemperatur abhängigen Zeitkonstanten und einem von der Motortemperatur abhängigen Verstärkungsfaktor, um ein von der Motortemperatur abhängiges, verzögerungskompensiertes Kraftstoffsteuersignal zu erzeugen; und
eine Mitkopplungssteuerung zum Verstellen eines Produkts aus dem gewünschten Kraftstoff-Luft-Signal und einer Summe aus 1 (Kraftstoff-Luft-Verhältnis) plus des von der Motortemperatur abhängigen, verzögerungskompensierten Kraftstoff-Luft-Steuersignals auf der Basis einer antizipierten Zeitsteuerung eines Steuersystemereignisses.
Dabei wird bevorzugt während eines ersten Betriebsmodus des Steuersystems das verzögerungskompensierte Steuersignal in einem Kraftstoff-Luft-Verhältnisbereich erzeugt, und während eines zweiten Betriebsmodus des Steuersystems das verzögerungskompensierte Steuersignal in einem Kraftstoffmassenbereich erzeugt.
Dabei wird weiter bevorzugt während des zweiten Betriebsmodus des Steuersystems das Fehlersignal mit einem verzögerten Luftmassenterm multipliziert, um das Fehlersignal in den Kraftstoffmassenbereich umzuwandeln.
Dabei wird ferner bevorzugt während des zweiten Modus der verzögerungskompensierte Steuerterm durch einen Luftmassenterm dividiert, um das verzögerungskompensierte Steuersignal in den Kraftstoff-Luft-Verhältnisbereich umzuwandeln.
Zweckmäßig liefert bei dem erfindungsgemäßen Kraftstoffregelkreissystems für einen Motor ein Tiefpassfilter das gefilterte Kraftstoff-Luft-Signal.
Zweckmäßig erzeugt bei dem erfindungsgemäßen Kraftstoffregelkreissystems für einen Motor ein linearen Abgassensor das Kraftstoff-Luft-Verhältnis-Signal.
Vorteilhaft enthält das erfindungsgemäße Kraftstoffregelkreissystems für einen Motor Transientenkraftstoffsteuerfilter einen Richt(Lead)-Filter erster Ordnung enthält.
Dabei wird bevorzugt eine Differenz zwischen dem verzögerungskompensierten Kraftstoff-Luft-Steuersignal und einer Signalausgabe von dem Lead-Filter erster Ordnung mit dem von der Motortemperatur abhängigen Verstärkungsfaktor multipliziert, um das von der Motortemperatur abhängige, verzögerungskompensierte Kraftstoffsteuersignal zu erzeugen.
Eine weiter bevorzugte Ausführung eines erfindungsgemäßen Kraftstoffregelkreissystems für einen Motor umfasst:
eine Referenzeingabe zum Erzeugen eines gewünschten Kraftstoff-Luft-Signals;
einen Verzögerungskompensationsfilter mit einem Prädiktionsblock und einem Verzögerungsblock, wobei der Prädiktionsblock eine Summe des gewünschten Kraftstoff-Luft-Signals und eines verzögerungskompensierten Kraftstoff-Luft-Steuersignals empfängt und die Summe auf der Basis einer Zeitkonstanten des Steuersystems verstellt, um ein verzögerungsfreies Steuersignal zu erzeugen, das an den Verzögerungsblock geliefert wird, wobei der Verzögerungsblock das verzögerungsfreie Steuersignal so verstellt, dass es gemäß einer Verzögerung des Steuersystems verzögert ist, um ein verzögertes Steuersignal bereitzustellen, wobei das verzögerungsfreie Steuersignal von dem verzögerten Steuersignal subtrahiert wird, um ein Systemverzögerungskompensationssignal zu erzeugen;
einen Abgassensor zum Bereitstellen eines Kraftstoff-Luft-Verhältnis-Signals, das von einem gefilterten Kraftstoffsignal subtrahiert und zu dem Systemverzögerungskompensationssignal addiert wird, um ein Fehlersignal zu erzeugen, das an einen Proportional-Integral-Controller geliefert wird, um das verzögerungskompensierte Steuersignal zu erzeugen, wobei während eines ersten Betriebsmodus des Steuersystems das systemverzögerungskompensierte Steuersignal in einem Kraftstoff-Luft-Verhältnisbereich erzeugt wird und während eines zweiten Betriebsmodus des Steuersystems das systemverzögerungskompensierte Steuersignal in einem Kraftstoffmassenbereich erzeugt wird;
einen Transientenkraftstoffsteuerfilter zum Verstellen des verzögerungskompensierten Kraftstoffsteuersignals gemäß einer von der Motortemperatur abhängigen Zeitkonstanten und einem von der Motortemperatur abhängigen Verstärkungsfaktor, um ein von der Motortemperatur abhängiges, verzögerungskompensiertes Kraftstoff-Luft-Steuersignal zu erzeugen; und
eine Mitkopplungssteuerung zum Verstellen eines Produkts aus dem gewünschten Kraftstoffsteuersignal und einer Summe aus 1 (Kraftstoff-Luft-Verhältnis) plus des von der Motortemperatur abhängigen, verzögerungskompensierten Kraftstoffsteuersignals auf der Basis einer antizipierten Zeitsteuerung eines Steuersystemereignisses.
Dabei wird bevorzugt während des zweiten Betriebsmodus des Steuersystems das Fehlersignal mit einem verzögerten Luftmassenterm multipliziert wird, um das Fehlersignal in den Kraftstoffmassenbereich umzuwandeln, und der verzögerungskompensierte Steuerterm durch einen Luftmassenterm dividiert, um das verzögerungskompensierte Steuersignal in den Kraftstoff-Luft-Verhältnisbereich umzuwandeln.
(Soweit Bezugszeichen mehrfach in den Figuren genannt sind werden diese nicht wiederholt.)
Bezugszeichenliste
Fig. 1

100: Kraftstoffregelsystem mit Rückkopplung
102: Physische Systemsektion
104: Rückkopplungsteuersektion
106: Mitkopplungssektion
114: Referenzsignal (REF)
116: BRENNSTOFF-LUFT-VERHÄLTNIS-Störung (FAR DIST)
108: WANDBENETZUNG WALL WETTING)
110: ANLAGE (PLANT)
112: UEGO
118: PI-Regler

202: Smith Predictor Steuersektion
DELAY: VERZÖGERUNG
TC: Zeitkonstante
204: Smith Predictor Filter
206: Smith Predictor Verzögerung

DELAY: VERZÖGERUNG
TC: Zeitkonstante
304: Filter (einstellbare Zeitkonstante)

302: Engine Temperature – MOTORTEMPERATUR
402: Filter
404: ZEITKONSTANTE
406: VERSTÄRKUNGSFAKTOR
TFC LEAD: TFC-LEAD

116: BRENNSTOFF-LUFT-VERHÄLTNISSTÖRUNG
108: WANDBENETZUNG
110: ANLAGE
TC: Zeitkonstante
DELAY: VERZÖGERUNG
204: SP-FILTer
206: SP-Verzögerung
302: TFC LEAD – TFC-Richt-Kompensator
502: Luftmassenfluss Verzögerung
504: Luftmassenfluss (unverzögert)
510: LUFT
506: STÖCHIOMETR:.-PKT
508: ANZAHL BÄNKE
512: VERZÖGERUNG

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

Smith, O. J., „A controller to overcome dead-time”, ISA Journal, Band 6, S. 28–33, 1959 [0004]

Claims

Kraftstoffregelkreissystem für einen Motor, umfassend: eine Referenzeingabe zum Erzeugen eines gewünschten Kraftstoff-Luft-Signals; einen Verzögerungskompensationsfilter zum Empfangen einer Summe aus dem gewünschten Kraftstoff-Luft-Signal und einem von einem Proportional-Integral-Controller ausgegebenen Kraftstoff-Luft-Steuersignal, wobei der Verzögerungskompensationsfilter ein Systemverzögerungskompensationssignal liefert; einen Abgassensor zum Liefern eines Kraftstoff-Luft-Verhältnis-Signals, das von einem gefilterten Kraftstoff-Luft-Signal subtrahiert wird, und dieses Ergebnis wird zu dem Systemverzögerungskompensationssignal addiert, um ein an den Proportional-Integral-Controller geliefertes Fehlersignal zu erzeugen, um das verzögerungskompensierte Kraftstoff-Luft-Steuersignal zu erzeugen; und einen Transientenkraftstoffsteuerfilter zum Verstellen des verzögerungskompensierten Kraftstoff-Luft-Steuersignals gemäß einer von der Motortemperatur abhängigen Zeitkonstanten und einem von der Motortemperatur abhängigen Verstärkungsfaktor, um ein von der Motortemperatur abhängiges, verzögerungskompensiertes Kraftstoff-Luft-Steuersignal zu erzeugen.
System nach Anspruch 1, wobei der Verzögerungskompensationsfilter einen Prädiktionsblock und einen Verzögerungsblock enthält, wobei der Prädiktionsblock die Summe des gewünschten Kraftstoff-Luft-Signals und des Kraftstoff-Luft-Steuersignals empfängt und die Summe auf der Basis einer Zeitkonstanten des Systems verstellt, um ein verzögerungsfreies Steuersignal zu erzeugen, das an den Verzögerungsblock geliefert wird, wobei der Verzögerungsblock das verzögerungsfreie Steuersignal so verstellt, dass es gemäß einer Verzögerung des Steuersystems verzögert ist, um ein verzögertes Steuersignal bereitzustellen, wobei das verzögerungsfreie Steuersignal von dem verzögerten Steuersignal subtrahiert wird, um das Systemverzögerungskompensationssignal zu erzeugen.
System nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: eine Mitkopplungssteuerung zum Verstellen eines Produkts aus dem gewünschten Kraftstoff-Luft-Signal und der Summe aus 1 (in normierten Kraftstoff-Luft-Verhältniseinheiten) plus des motortemperaturabhängigen, verzögerungskompensierten Kraftstoff-Luft-Steuersignals auf der Basis einer antizipierten Zeitsteuerung eines Steuersystemereignisses.
System nach Anspruch 1, wobei während eines ersten Betriebsmodus des Steuersystems das verzögerungskompensierte Steuersignal in einem Kraftstoff-Luft-Verhältnisbereich erzeugt wird, und während eines zweiten Betriebsmodus des Steuersystems das verzögerungskompensierte Steuersignal in einem Kraftstoffmassenbereich erzeugt wird.
System nach Anspruch 4, wobei während des zweiten Betriebsmodus des Steuersystems das Fehlersignal mit einem verzögerten Luftmassenterm multipliziert wird, um das Fehlersignal in den Kraftstoffmassenbereich umzuwandeln.
System nach Anspruch 5, wobei während des zweiten Betriebsmodus das verzögerungskompensierte Steuersignal von dem Proportional-Intergral-Controller durch einen Luftmassenterm dividiert wird, um das verzögerungskompensierte Steuersignal in den Kraftstoff-Luft-Verhältnisbereich umzuwandeln.
System nach Anspruch 1, wobei ein Tiefpassfilter das gefilterte Kraftstoff-Luft-Signal liefert.
System nach Anspruch 1, wobei das Kraftstoff-Luft-Verhältnis-Signal von einem linearen Abgassensor erzeugt wird.
System nach Anspruch 1, wobei der Transientenkraftstoffsteuerfilter einen Tiefpassfilter erster Ordnung mit temperaturabhängiger Zeitkonstante enthält.
System nach Anspruch 9, wobei eine Differenz zwischen dem verzögerungskompensierten Kraftstoff-Luft-Steuersignal und einer Signalausgabe von dem Tiefpassfilter mit dem von der Motortemperatur abhängigen Verstärkungsfaktor multipliziert wird, um das von der Motortemperatur abhängige, verzögerungskompensierte Kraftstoff-Luft-Steuersignal zu erzeugen.