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GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft Verbrennungsmotoren und insbesondere ein System zur Steuerung von Systemen zur Abgasrückführung (AGR).
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HINTERGRUND
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Verbrennungsmotoren ziehen Luft in einen Ansaugkrümmer durch ein Ansaugsystem, das durch eine Drossel reguliert werden kann. Die Luft kann an eine Mehrzahl von Zylindern verteilt und mit Kraftstoff von einer Mehrzahl von Kraftstoffinjektoren kombiniert werden, um ein Luft/Kraftstoff-(A/F)-Gemisch zu erzeugen. das A/F-Gemisch kann in den Zylindern verbrannt werden, um Kolben anzutreiben, die ihrerseits eine Kurbelwelle drehen, wobei Antriebsdrehmoment erzeugt wird.
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Abgas, das durch die Verbrennung des A/F-Gemisches erzeugt wird, kann in den Ansaugkrümmer über ein System zur Abgasrückführung (AGR) eingeführt werden. Motorsysteme mit homogener Kompressionszündung (HCCI) können AGR-Systeme implementieren, um für eine zusätzliche Steuerung eines Verhältnisses des A/F-Gemisches und/oder einer Verbrennungsphaseneinstellung (beispielsweise über Temperatur des A/F-Gemisches) zu sorgen.
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Die Druckschrift
AT 006 753 U1 beschreibt ein Verfahren zur Regelung des AGR-Ventils eines Verbrennungsmotors. Gemäß diesem Verfahren wird ein tatsächlicher Verlauf des Zylinderdrucks gemessen und mit dem gewünschten Zielwert verglichen. Über einen Regelalgorithmus wird auf dieser Basis unter anderem die Inertgasmasse beeinflusst, welche wiederum über die Abgasrückführrate geregelt wird. Als weitere Einflussgröße wird die Motordrehzahl berücksichtigt.
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Die Druckschrift
DE 101 62 970 A1 beschreibt ein weiteres Verfahren zur Bestimmung des Abgasrückführmassenstroms, das die Messung des Verlaufs des Zylinderdrucks einschließt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Steuersystem für einen Motor zu schaffen, das ein AGR-Ventil schneller als herkömmliche Steuersysteme steuern kann.
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Die Aufgabe wird durch ein Steuersystem nach Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen des Steuersystems sind Gegenstand der Unteransprüche.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein Steuersystem für einen Motor umfasst ein Rückkopplungsbestimmungsmodul, ein Vorwärtskopplungsbestimmungsmodul und ein Ventilsteuermodul. Das Rückkopplungsbestimmungsmodul erzeugt einen Abgasrückführungs-(AGR)-Rückkopplungswert auf Grundlage einer Motordrehzahl und einer Differenz zwischen einer gewünschten und gemessenen Verbrennungsphaseneinstellung. Das Vorwärtskopplungsbestimmungsmodul erzeugt einen AGR-Vorwärtskopplungswert auf Grundlage einer Differenz zwischen gewünschten und gemessenen Massenluftstrom-(MAF)-Raten. Das Ventilsteuermodul steuert ein AGR-Ventil auf Grundlage der Werte der AGR-Rückkopplung und -Vorwärtskopplung, eines Ansaugkrümmerabsolutdrucks (MAP), einer Motordrehzahl und eines Abgasgegendrucks (EBP von engl.: exhaust back pressure).
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Ein Verfahren zum Steuern eines Motors umfasst ein Erzeugen eines Abgasrückführungs-(AGR)-Rückkopplungswerts auf Grundlage einer Motordrehzahl und einer Differenz zwischen einer gewünschten und gemessenen Verbrennungsphaseneinstellung, ein Erzeugen eines AGR-Vorwärtskopplungswertes auf Grundlage einer Differenz zwischen gewünschten und gemessenen Luftmassenstrom-(MAF)-Raten und ein Steuern eines AGR-Ventils auf Grundlage der Werte der AGR-Rückkopplung und -Vorwärtskopplung, eines Ansaugkrümmerabsolutdrucks (MAP), einer Motordrehzahl und eines Abgasgegendrucks (EBP).
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Gemäß noch weiteren Merkmalen sind die oben beschriebenen Systeme und Verfahren durch ein Computerprogramm implementiert, das durch einen oder mehrere Prozessoren ausgeführt wird. Das Computerprogramm kann an einem konkreten computerlesbaren Medium vorhanden sein, wie, jedoch nicht darauf beschränkt, einem Speicher, einem nichtflüchtigen Datenspeicher und/oder anderen geeigneten konkreten Speichermedien.
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Weitere Anwendungsbereiche der vorliegenden Offenbarung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung und spezifische Beispiele nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Offenbarung zu beschränken.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die vorliegende Offenbarung wird aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:
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1 Diagramme zeigt, die eine motorereignisbasierte Steuerung (d. h. verbrennungsereignisbasierte Steuerung) einer Abgasrückführung (AGR) zeigen, während ein Motor in einem Verbrennungsmodus mit homogener Kompressionszündung (HCCI) arbeitet;
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2 ein Funktionsblockschaubild eines beispielhaften Motorsystems gemäß der vorliegenden Offenbarung ist;
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3 ein Funktionsblockschaubild eines beispielhaften Steuermoduls gemäß der vorliegenden Offenbarung ist;
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4 ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Steuerung eines AGR-Systems gemäß der vorliegenden Offenbarung ist; und
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5 Diagramme zeigt, die beispielhafte Ergebnisse der Steuerung eines AGR-Systems gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Offenbarung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken. Zu Zwecken der Klarheit sind in den Zeichnungen dieselben Bezugszeichen zur Identifizierung ähnlicher Elemente verwendet. Die hier verwendete Formulierung ”zumindest eines aus A, B und C” sei so zu verstehen, dass ein logisches (A oder B oder C) unter Verwendung eines nicht exklusiven logischen Oder gemeint ist. Es sei zu verstehen, dass Schritte innerhalb eines Verfahrens in verschiedener Reihenfolge ausgeführt werden können, ohne die Grundsätze der vorliegenden Offenbarung zu ändern.
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Der hier verwendete Begriff ”Modul” betrifft eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe) und Speicher, die ein oder mehrere Software- oder Firmware- Programme ausführen, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen.
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Motoren mit homogener Kompressionszündung (HCCI) können in einer Mehrzahl von Moden arbeiten. Eine Misch-HCCI-Verbrennung umfasst ein Komprimieren eines Luft/Kraftstoff-(A/F)-Gemisches in Zylindern, bis das A/F-Gemisch einen kritischen Druck oder eine kritische Temperatur erreicht und automatisch verbrennt. Die Verbrennung des A/F-Gemisches während einer Misch-HCCI-Verbrennung kann jedoch auch durch Zündfunken über Zündkerzen ”unterstützt” werden. Eine Verbrennung über Funkenzündung (SI von Engl.: ”spark ignition”) umfasst andererseits das Komprimieren des A/F-Gemisches in den Zylindern und das Zünden des komprimierten A/F-Gemisches über Zündfunken von den Zündkerzen.
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Ein Abgasrückführungs-(AGR)-System kann implementiert sein, um ein Verhältnis des A/F-Gemisches oder einer Verbrennungsphaseneinstellung weiter zu steuern. Genauer kann eine Verbrennungsphaseneinstellung einen relativen Zeitpunkt (beispielsweise in Kurbelwinkelgraden oder CAD von engl.: ”crank angle degrees”) betreffen, bei dem das A/F-Gemisch in dem Zylinder verbrennt. Somit können AGR-Systeme Rückkopplungsmessungen der Verbrennungsphaseneinstellung erfordern. Eine Rückkopplungsregelung für AGR-Systeme (beispielsweise ein AGR-Ventil) arbeitet auf einer Motorereignisbasis (d. h. einmal pro Verbrennungszyklus). Ereignisbasierte Rückkopplungsregelungssysteme können daher die Position des AGR-Ventils zu langsam einstellen, was in Verbrennungsproblemen (beispielsweise Fehlzündungen aufgrund falscher Mengen an AGR resultiert). Beispielsweise können transiente Betriebsabläufe, wie eine schnelle Änderung der Motordrehzahl, in einer Fehlzündung resultieren.
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1 zeigt Verbrennungsprobleme (beispielsweise Fehlzündungen), die aus einer schnellen Änderung der Motordrehzahl während einer HCCI-Verbrennung resultieren. Genauer sind sechs Diagramme in Bezug auf die Zeit (Sekunden oder s) gezeigt, die von oben nach unten repräsentieren: Motordrehzahl (Umdrehungen pro Minute oder RPM), Soll-MAF-Rate (Gramm pro Sekunde oder g/s), AGR-Ventilposition (Öffnung %), negative Ventilüberlappung (NVO, in CAD), angegebener mittlerer effektiver Druck (IMEP, in barometrischem Druck oder bar) und nach spät verstellter Kurbelwinkel, wo eine vorbestimmte Menge der während der Verbrennung erzeugten Wärme jeweils freigesetzt worden ist (beispielsweise 50 Prozent, bezeichnet als ”CA50” in Grad nach dem oberen Totpunkt oder °ATDC). Genauer nimmt die Motordrehzahl schnell von etwa 2000 U/min auf etwa 1000 U/min ab. Demgemäß nimmt sowohl die MAF-Rate als auch die AGR-Ventilposition ab. Die Änderung der AGR-Ventilposition ist jedoch im Vergleich zu der Motordrehzahlabnahme verzögert. Die verzögerte Änderung der AGR-Ventilposition resultiert in einer Abnahme der NVO und somit Verbrennungsproblemen aufgrund kalter Zylinderladungstemperatur, wie durch die Schwankung in sowohl IMEP der Zylinder als auch CA50 gezeigt ist.
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Demgemäß sind ein System und Verfahren zum verbesserten Ansprechen eines AGR-Systems während schneller Änderungen der Motordrehzahl dargestellt. Stattdessen können das System und Verfahren eine schnellere (d. h. zeitbasierte) Steuerung des AGR-Systems ausführen. Genauer können das System und Verfahren einen AGR-Rückkopplungswert auf Grundlage der Motordrehzahl und einer Differenz zwischen der gewünschten und gemessenen Verbrennungsphaseneinstellung erzeugen. Das System und Verfahren können auch einen AGR-Vorwärtskopplungswert auf Grundlage einer Differenz zwischen den gewünschten und gemessenen MAF-Raten erzeugen. Das System und Verfahren können dann eine Sollposition für ein AGR-Ventil auf Grundlage der Werte der AGR-Rückkopplung und -Vorwärtskopplung, des Ansaugkrümmerabsolutdrucks (MAP), der Motordrehzahl und des Abgasgegendrucks (EBP) bestimmen. Zusätzlich können das System und Verfahren das AGR-Ventil in die gewünschte Position anweisen (beispielsweise durch Erzeugen eines Steuersignals für das AGR-Ventil).
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Nun Bezug nehmend auf 2 umfasst ein Motorsystem 10 einen Motor 12. Beispielsweise kann der Motor 12 ein HCCI-Motor sein. Der Motor 12 zieht Luft in einen Ansaugkrümmer 14 durch ein Einlasssystem 16, das durch eine Drossel 18 reguliert sein kann. Beispielsweise kann die Drossel 18 elektronisch gesteuert sein (beispielsweise elektronische Drosselsteuerung oder ETC). Das Einlasssystem 16 kann jedoch auch ungedrosselt sein (beispielsweise einige Dieselmotorsysteme). Ein MAF-Sensor 20 misst einen Luftdurchfluss in den Ansaugkrümmer 14. Ein Ansaug-MAP-Sensor 22 misst einen Druck der Luft in dem Ansaugkrümmer 14.
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Die Luft in dem Ansaugkrümmer 14 kann an eine Mehrzahl von Zylindern 24 verteilt werden. Während vier Zylinder gezeigt sind, kann eine andere Anzahl von Zylindern implementiert sein. Die Luft kann mit Kraftstoff von Kraftstoffinjektoren 26 kombiniert werden, um ein Luft/Kraftstoff-(A/F)-Gemisch zu bilden. Die Verbrennung treibt die Kolben (nicht gezeigt), die eine Kurbelwelle 30 drehbar antreiben, wodurch Antriebsmoment erzeugt wird. Ein Motordrehzahlsensor 32 kann eine Drehzahl der Kurbelwelle 30 (beispielsweise in U/min) messen. Das Antriebsmoment kann von der Kurbelwelle 30 an einen Antriebsstrang (nicht gezeigt) (beispielsweise Räder) eines Fahrzeugs über ein Getriebe (nicht gezeigt) übertragen werden. Beispielsweise kann das Getriebe (nicht gezeigt) mit der Kurbelwelle 30 über einen Drehmomentwandler (beispielsweise eine Fluidkopplung) gekoppelt sein.
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Aus der Verbrennung resultierendes Abgas kann von den Zylindern 24 in einen Abgaskrümmer 34 ausgestoßen werden. Ein EBP-Sensor 36 kann einen Druck des Abgases in dem Abgaskrümmer 34 messen. Ein Abgasbehandlungssystem (ETS) 38 kann das Abgas behandeln, um Emissionen zu verringern, bevor das Abgas in die Atmosphäre freigesetzt wird. Beispielsweise kann das ETS 38 einen Oxidationskatalysator (OC), NOx-Absorber/-Adsorber, einen Katalysator für selektive katalytische Reduktion (SCR), einen Filter für Partikelmaterial (PM) und/oder einen katalytischen Wandler (beispielsweise einen Drei-Wege-Katalysator) aufweisen.
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Ein AGR-System 40 kann Abgas in den Ansaugkrümmer 14 einführen. Genauer kann das AGR-System 40 eine AGR-Leitung 42 aufweisen, die den Abgaskrümmer 34 mit dem Ansaugkrümmer 14 verbindet. Ein AGR-Aufnahmepunkt an dem Abgaskrümmer 34 kann vor oder nach dem ETS 38 vorgesehen sein. Das AGR-System 40 kann auch ein AGR-Ventil 44 aufweisen, das eine Menge an AGR, die in den Ansaugkrümmer 14 eingeführt wird, reguliert. Beispielsweise kann das AGR-Ventil 44 elektronisch gesteuert sein. Ein Turbolader 46 (auch als ein ”Turbo 46” bezeichnet) kann die Luft in dem Ansaugkrümmer 14 weiter mit Druck beaufschlagen (d. h. aufladen). Beispielsweise kann eine Turbine (nicht gezeigt) des Turboladers 46 durch Abgas von dem Abgaskrümmer 34 angetrieben werden, die ihrerseits einen Kompressor (nicht gezeigt) des Turboladers 46 mit Leistung beaufschlägt, der die Luft in dem Ansaugkrümmer 14 mit Druck beaufschlägt.
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Ein Steuermodul 50 kann Signale von der Drossel 18 (beispielsweise Drosselposition), dem MAF-Sensor 20, dem MAP-Sensor 22, den Kraftstoffinjektoren 26, den Zündkerzen 28, dem Motordrehzahlsensor 32, dem EBP-Sensor 36, dem ETS 38 und dem AGR-Ventil 44 (beispielsweise Ventilposition) empfangen. Das Steuermodul 50 kann auch die Drossel 18 (beispielsweise ETC), die Kraftstoffinjektoren 26, die Zündkerzen 28, das ETS 38 und das AGR-Ventil 44 steuern. Das Steuermodul 50 kann auch das System oder Verfahren der vorliegenden Offenbarung implementieren.
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Nun Bezug nehmend auf 3 ist das Steuermodul 50 detaillierter gezeigt. Das Steuermodul 50 kann ein Rückkopplungsbestimmungsmodul 70, ein Vorwärtskopplungsbestimmungsmodul 74 und ein Ventilsteuermodul 78 aufweisen. Das Steuermodul 50 kann auch einen Speicher (nicht gezeigt) aufweisen, der verschiedene bestimmte und/oder vorbestimmte Parameter speichert. Beispielsweise kann der Speicher (nicht gezeigt) einen nichtflüchtigen Speicher (NVM) aufweisen.
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Das Rückkopplungsbestimmungsmodul 70 empfängt Signale 71, 72 und 32, die eine gewünschte Verbrennungsphaseneinstellung, eine gemessene Verbrennungsphaseneinstellung bzw. eine Motordrehzahl angeben. Beispielsweise kann die gewünschte Verbrennungsphaseneinstellung auf der Motorlast (beispielsweise dem MAF-Sensor 20), einem Eingang von einem Fahrer des Fahrzeugs (beispielsweise über ein Gaspedal) und/oder der Motordrehzahl basieren. Die gemessene Verbrennungsphaseneinstellung oder CA50 kann andererseits auf Verbrennungsdruckmessungen der Zylinder 24 basieren. Die Motordrehzahl kann unter Verwendung des Motordrehzahlsensors 32 gemessen werden.
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Das Rückkopplungsbestimmungsmodul 70 kann den AGR-Rückkopplungswert auf Grundlage der empfangenen Signale erzeugen. Genauer kann das Rückkopplungsbestimmungsmodul 70 den AGR-Rückkopplungswert (beispielsweise einen AGR-Prozentsatz) auf Grundlage der Motordrehzahl und einer Differenz zwischen der gewünschten Verbrennungsphaseneinstellung und der gemessenen Verbrennungsphaseneinstellung erzeugen. Mit anderen Worten kann der AGR-Rückkopplungswert einer Änderung der AGR-Position entsprechen, um die gemessene Verbrennungsphaseneinstellung auf die gewünschte Verbrennungsphaseneinstellung einzustellen. Beispielsweise kann der AGR-Rückkopplungswert eine AGR-Strömung angeben (beispielsweise in Gramm pro Sekunde oder g/s).
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Das Vorwärtskopplungsbestimmungsmodul 74 empfängt Signale 75 und 20, die die gewünschte MAF-Rate bzw. die gemessene MAF-Rate angeben. Beispielsweise kann die gewünschte MAF-Rate auf einem Eingang von dem Fahrer des Fahrzeugs (beispielsweise über ein Gaspedal) basieren. Zusätzlich kann die gemessene MAF-Rate beispielsweise unter Verwendung des MAF-Sensors 20 gemessen werden. Das Vorwärtskopplungsbestimmungsmodul 74 erzeugt den AGR-Vorwärtskopplungswert auf Grundlage der empfangenen Signale. Ähnlich zu dem AGR-Rückkopplungswert (oben beschrieben) kann der AGR-Vorwärtskopplungswert eine AGR-Strömung angeben (beispielsweise g/s). Alternativ dazu können die Werte der AGR-Rückkopplung und -Vorwärtskopplung als erster bzw. zweiter AGR-Rückkopplungswert bezeichnet werden. Das Vorwärtskopplungsbestimmungsmodul 74 kann den AGR-Vorwärtskopplungswert auf Grundlage einer Differenz zwischen den gewünschten und gemessenen MAF-Raten erzeugen. Beispielsweise kann eine geringere AGR-Position (weniger AGR) erforderlich sein, wenn die gemessene MAF-Rate kleiner als die gewünschte MAF-Rate ist.
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Das Ventilsteuermodul 78 empfängt die Werte der AGR-Rückkopplung und -Vorwärtskopplung von dem Rückkopplungsbestimmungsmodul 70 bzw. dem Vorwärtskopplungsbestimmungsmodul 74. Das Ventilsteuermodul 78 empfängt auch Signale 22, 32 und 36, die den MAP, die Motordrehzahl bzw. den EBP angeben. Beispielsweise können der MAP, die Motordrehzahl und der EBP durch den MAP-Sensor 22, den Motordrehzahlsensor 32 bzw. den EBP-Sensor 36 gemessen werden. Das Ventilsteuermodul 78 kann eine gewünschte Position des AGR-Ventils 44 (beispielsweise Öffnungsprozentsatz) auf Basis der empfangenen Signale bestimmen. Genauer kann das Ventilsteuermodul 78 die gewünschte Position auf Grundlage einer Summe der Werte der AGR-Rückkopplung und -Vorwärtskopplung bestimmen.
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Überdies kann jedoch das Ventilsteuermodul 78 die gewünschte Position auf Grundlage des MAP, der Motordrehzahl und/oder des EBP bestimmen. Beispielsweise kann die gewünschte Position zunehmen, wenn der MAP zunimmt, die Motordrehzahl zunimmt und/oder der EBP abnimmt, und die gewünschte Position kann abnehmen, wenn der MAP abnimmt, die Motordrehzahl abnimmt und/oder der EBP zunimmt. Mit anderen Worten kann das Ventilsteuermodul 78 eine Basisposition auf Grundlage der Summe der Werte der AGR-Rückkopplung und -Vorwärtskopplung bestimmen und dann die Basisposition auf Grundlage des MAP, der Motordrehzahl und des EBP einstellen (was in der gewünschten Position resultiert). Schließlich kann das Ventilsteuermodul 78 ein Steuersignal für das AGR-Ventil 44 auf Grundlage der gewünschten Position des AGR-Ventils 44 erzeugen.
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Nun Bezug nehmend auf 4 beginnt ein Verfahren zum Steuern des AGR-Systems 40 bei 100. Bei 100 bestimmt das Steuermodul 50 den gewünschten Verbrennungszeitpunkt und die gewünschte MAF-Rate. Bei 104 misst das Steuermodul 50 Motorbetriebsparameter (beispielsweise MAF, MAP, Verbrennungsphaseneinstellung, Motordrehzahl, EBP, etc.).
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Bei 108 erzeugt das Steuermodul 50 den AGR-Rückkopplungswert auf Grundlage der Differenz zwischen den gewünschten und gemessenen Verbrennungszeitpunkten und der Motordrehzahl. Bei 112 erzeugt das Steuermodul 50 den AGR-Vorwärtskopplungswert auf Grundlage der Differenz zwischen den gewünschten und gemessenen MAF-Raten.
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Bei 116 bestimmt das Steuermodul 50 die gewünschte Position für das AGR-Ventil 44 auf Grundlage der Werte der AGR-Rückkopplung und -Vorwärtskopplung, des MAP, der Motordrehzahl und des EBP. Bei 120 weist das Steuermodul 50 das AGR-Ventil 44 in die gewünschte Position an (beispielsweise durch Erzeugen eines Steuersignals für das AGR-Ventil 44). Die Steuerung kann dann zu 100 zurückkehren.
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Nun Bezug nehmend auf 5 sind beispielhafte Ergebnisse des Systems und Verfahrens der vorliegenden Offenbarung gezeigt. Genauer sind sechs Diagramme in Bezug auf die Zeit (s) gezeigt und repräsentieren von oben nach unten eine Motordrehzahl (U/min), eine gewünschte MAF-Rate (g/s), eine AGR-Ventilposition (Öffnung %), NVO (CAD), IMEP (bar) bzw. CA50 (°ATDC). Ähnlicherweise zu 1 nimmt die Motordrehzahl schnell von etwa 2000 U/min auf 1000 U/min ab. Das System und Verfahren steuern jedoch das AGR-Ventil 44 effektiver (schneller) als motorereignisbasierte (d. h. verbrennungsereignisbasierte) Steuersysteme. Überdies resultiert, wie gezeigt ist, die verbesserte Steuerung des AGR-Ventils 44 in kleinen NVO-Änderungen aufgrund einer genauen AGR-Steuerung und keiner Verbrennungsprobleme (beispielsweise Fehlzündungen), wie durch stabile IMEP- und CA50-Charakteristiken gezeigt ist.
