DE102015104194B4 - Verfahren zur erhöhung der temperatur eines katalysators, wenn eine kraftmaschine gestartet wird, unter verwendung von modellvorhersagesteuerung - Google Patents

Verfahren zur erhöhung der temperatur eines katalysators, wenn eine kraftmaschine gestartet wird, unter verwendung von modellvorhersagesteuerung Download PDF

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Abstract

Verfahren, umfassend:Erzeugen vorhergesagter Parameter basierend auf einem Modell einer Kraftmaschine (102) und einem Satz möglicher Zielwerte;Erzeugen von Kosten für den Satz möglicher Zielwerte basierend auf den vorhergesagten Parametern und einer Soll-Abgasenthalpie;Auswählen des Satzes möglicher Zielwerte aus mehreren Sätzen möglicher Zielwerte basierend auf den Kosten; undEinstellen eines Aktors der Kraftmaschine (102) basierend auf zumindest einem der Zielwerte.

Description

  • Diese Anmeldung bezieht sich auf die Patentanmeldungen der Vereinigten Staaten US 2015 0 275 772 A1 , eingereicht am 26. März 2014, US 2015 0 275 784 A1 , eingereicht am 26. März 2014, US 2015 0 275 793 A1 , eingereicht am 26. März 2014, US 2015 0 275 794 A1 , eingereicht am 26. März 2014, US 2015 0 275 789 A1 , eingereicht am 26. März 2014, US 2015 0 275 806 , eingereicht am 26. März 2014, US 2015 0 275 786 A1 , eingereicht am 26. März 2014, US 2015 0 275 711 A1 , eingereicht am 26. März 2014, US 2015 0 275 785 A1 , eingereicht am 26. März 2014, US 2015 0 275 783 A1 , eingereicht am 26. März 2014, US 2015 0 275 796 A1 , eingereicht am 26. März 2014, US 2015 0 279 124 A1 , eingereicht am 26. März 2014, US 2015 0 275 771 A1 , eingereicht am 26. März 2014, und US 2015 0 275 792 A1 , eingereicht am 26. März 2014.
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Brennkraftmaschinen und insbesondere auf Systeme und Verfahren zur Erhöhung der Temperatur eines Katalysators, wenn eine Kraftmaschine gestartet wird, unter Verwendung einer Modellvorhersagesteuerung.
  • Brennkraftmaschinen verbrennen ein Luft- und Kraftstoff-Gemisch in Zylindern, um Kolben anzutreiben, was Antriebsdrehmoment erzeugt. Eine Luftströmung in die Kraftmaschine wird über eine Drosselklappe reguliert. Genauer stellt die Drosselklappe den Drosselungsquerschnitt ein, was die Luftströmung in die Kraftmaschine erhöht oder verringert. Wenn die Drosselklappenfläche zunimmt, nimmt der Luftdurchsatz in die Kraftmaschine zu. Ein Kraftstoffsteuersystem stellt die Rate ein, mit der Kraftstoff eingespritzt wird, um ein Soll-Luft/Kraftstoff-Gemisch für die Zylinder vorzusehen und/oder einen Soll-Drehmomentausgang zu erreichen. Ein Erhöhen des Betrages an Luft und Kraftstoff, der an die Zylinder geliefert wird, erhöht die Drehmomentabgabe der Kraftmaschine.
  • In funkengezündeten Kraftmaschinen löst ein Zündfunken eine Verbrennung eines Luft/Kraftstoffgemisches aus, das an die Zylinder geliefert wird. Bei kompressionsgezündeten Kraftmaschinen verbrennt eine Kompression in den Zylindern das Luft/Kraftstoff-Gemisch, das an die Zylinder geliefert wird. Zündzeitpunkt und Luftströmung können die Primärmechanismen zum Einstellen des Drehmomentausgangs von funkengezündeten Kraftmaschinen sein, während die Kraftstoffströmung den Primärmechanismus zum Einstellen des Drehmomentausgangs von kompressionsgezündeten Kraftmaschinen darstellen kann.
  • Es sind Kraftmaschinensteuersysteme entwickelt worden, um das Kraftmaschinenausgangsdrehmoment zu steuern, um ein Soll-Drehmoment zu erreichen. Herkömmliche Kraftmaschinensteuersysteme steuern jedoch das Kraftmaschinenausgangsdrehmoment nicht so genau wie gewünscht. Ferner sehen herkömmliche Kraftmaschinensteuersysteme kein schnelles Ansprechen auf Steuersignale vor oder koordinieren die Kraftmaschinendrehmomentsteuerung nicht über die verschiedenen Vorrichtungen, die das Kraftmaschinenausgangsdrehmoment beeinflussen.
  • Dieser Problematik wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 begegnet. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Ein System gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung umfasst ein erstes Modelvorhersagesteuerungs- (MPC) Modul und ein Kraftmaschinenaktormodul. Das erste MPC-Modul erzeugt vorhergesagte Parameter auf der Grundlage eines Modells einer Kraftmaschine und eines Satzes von möglichen Zielwerten und erzeugt Kosten für den Satz von möglichen Zielwerten auf der Grundlage der vorhergesagten Parameter und einer Soll-Abgasenthalpie. Das erste MPC-Modul wählt auch den Satz möglicher Zielwerte aus mehreren Sätzen möglicher Zielwerte auf der Basis der Kosten. Das Kraftmaschinenaktormodul stellt einen Aktor der Kraftmaschine auf Basis von mindestens einem der Zielwerte ein.
  • Die vorliegende Offenbarung wird umfassender verständlich aus der ausführlichen Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen, in denen:
    • 1 ein Funktionsblockschaltbild eines beispielhaften Kraftmaschinensystems gemäß der vorliegenden Offenbarung ist;
    • 2 ein Funktionsblockschaltbild eines beispielhaften Kraftmaschinensteuersystems gemäß der vorliegenden Offenbarung ist;
    • 3 ein Funktionsblockschaltbild eines beispielhaften Zielerzeugungsmoduls gemäß der vorliegenden Offenbarung ist;
    • 4 ein Funktionsblockschaltbild eines beispielhaften Ziel-Abgasenthalpiemoduls gemäß der vorliegenden Offenbarung ist; und
    • 5 ein Flussdiagramm ist, das ein beispielhaftes Verfahren zum Steuern eines Drosselventils, einer Einlassventil- und einer Auslassventil-Phasenlageneinstellung, eines Ladedruckregelventils, eines Abgasrückführungs-Ventils (AGR-Ventils), einer Zündzeiteinstellung und Kraftstoffbeaufschlagung unter Verwendung einer Modellvorhersagesteuerung gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt.
  • Ein Kraftmaschinensteuermodul (ECM) steuert die Drehmomentausgabe einer Kraftmaschine. Genauer steuert das ECM jeweils Aktoren der Kraftmaschine auf der Grundlage von Zielwerten auf der Grundlage eines angeforderten Drehmomentbetrags. Zum Beispiel steuert das ECM die Einlassnockenwellen-Phasenlageneinstellung und die Auslassnockenwellen-Phasenlageneinstellung auf der Grundlage des Ziel-Einlassphasensteller- und des Ziel-Auslassphasenstellerwinkels, eine Drosselklappe auf der Grundlage einer ZielDrosselklappenöffnung, ein Abgasrückführungs-Ventil (AGR-Ventil) auf der Grundlage einer Ziel-AGR-Öffnung und ein Ladedruckregelventil eines Turboladers auf der Grundlage eines Ziel-Ladedruckregelventil-Tastgrads. Das ECM steuert auch die Zündzeiteinstellung basierend auf der Ziel-Zündzeiteinstellung und steuert eine Kraftstoffbeaufschlagung auf Basis der Ziel-Kraftstoffbeaufschlagungsparameter.
  • Das ECM könnte die Zielwerte unter Verwendung mehrerer Einzeleingabe-Einzelausgabe-Controller (SISO-Controller) wie etwa Proportional-Integral-Differential-Regler bzw. -Controller (PID-Regler / -Controller) einzeln bestimmen. Allerdings können die Zielwerte so eingestellt werden, dass die Systemstabilität auf Kosten möglicher Kraftstoffverbrauchverringerungen und Partikelemissionsverringerungen aufrechterhalten wird, wenn mehrere SISO-Controller verwendet werden. Außerdem können die Kalibrierung und der Entwurf der einzelnen SISO-Controller kostspielig und zeitaufwendig sein.
  • Das ECM der vorliegenden Offenbarung erzeugt die Zielwerte unter Verwendung eines Modellvorhersagesteuermoduls (MPC-Moduls). Das MPC-Modul identifiziert mögliche Sätze von Zielwerten. Das MPC-Modul bestimmt auf der Grundlage der Zielwerte der möglichen Sätze und eines mathematischen Modells der Kraftmaschine für jeden der möglichen Sätze vorhergesagte Parameter. Zum Beispiel kann das MPC-Modul ein vorhergesagtes Kraftmaschinen-Drehmoment und einen oder mehrere andere vorhergesagte Parameter für jeden der möglichen Sätze von Zielwerten bestimmen.
  • Das MPC-Modul kann auch der Verwendung von jedem der möglichen Sätze zugeordnete Kosten bestimmen. Zum Beispiel können die Kosten für einen möglichen Satz, von dem vorhergesagt wird, dass er eine Kraftmaschinendrehmomentanforderung enger nachführt, niedriger als andere mögliche Sätze sein, von denen nicht erwartet wird, dass sie die Kraftmaschinen-Drehmomentanforderung so eng wie möglich nachführen. Das MPC-Modul kann den möglichen Satz, der die niedrigsten Kosten aufweist und der verschiedene Beschränkungen zur Verwendung bei der Steuerung der Aktoren erfüllt, auswählen. Bei verschiedenen Implementierungen kann das MPC-Modul, anstatt oder zusätzlich dazu, mögliche Sätze von Zielwerten zu identifizieren und die Kosten jedes der Sätze zu bestimmen, eine Fläche erzeugen, die die Kosten möglicher Sätze von Zielwerten repräsentiert. Daraufhin kann das MPC-Modul auf der Grundlage des Anstiegs der Kostenfläche den möglichen Satz mit den niedrigsten Kosten identifizieren.
  • Während einer Katalysatoranspringperiode versucht das ECM, die Temperatur eines Katalysators in einem Abgassystem der Kraftmaschine so schnell wie möglich zu erhöhen, bei gleichzeitiger Minimierung der Emissionsabgabe von der Kraftmaschine während der Katalysatoranspringperiode. Die Katalysatoranspringperiode beginnt, wenn die Kraftmaschine gestartet wird und während die Temperatur des Katalysators geringer als eine Anspringtemperatur ist. Der Katalysator reduziert solange Emissionen, wie Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoff und Stickoxid, nicht, bis die Katalysatortemperatur größer als oder gleich der Anspringtemperatur ist. Die Katalysatoranspringperiode endet, wenn die Katalysatortemperatur gleich der Anspringtemperatur ist.
  • Das ECM der vorliegenden Offenbarung verwendet das MPC-Modul, um das optimale Gleichgewicht zwischen der Minimierung der Katalysatoranspringperiode und der Minimierung der Emissionsabgabe von der Kraftmaschine während der Katalysatoranspringperiode zu erreichen. Dies reduziert die Gesamtmenge der Emissionen, die aus dem Abgassystem der Kraftmaschine ausgegeben werden, wenn die Kraftmaschine gestartet wird. Das MPC-Modul kann eine Enthalpie von durch die Kraftmaschine erzeugtem Abgas für jeden der möglichen Sätze von Zielwerten vorhersagen und die Kosten jeden Satzes auf der Grundlage einer Differenz zwischen der vorhergesagten Abgasenthalpie und einer Soll-Abgasenthalpie bestimmen. Die Abgasenthalpie kann eine Gesamt-Energiemenge in von einer Kraftmaschine pro Zeiteinheit erzeugtem Abgas betreffen.
  • Die Kosten für jeden möglichen Satz von Zielwerten können zunehmen, wenn die Differenz zwischen der vorhergesagten Abgasenthalpie und der Soll-Abgasenthalpie steigt, und umgekehrt. Während der Katalysatoranspringperiode kann das MPC-Modul die Soll-Abgasenthalpie auf einen Wert setzen, so dass die Auswahl des möglichen Satzes mit den niedrigsten Kosten die Abgasenthalpie maximiert. Eine Maximierung der Abgasenthalpie während der Katalysatoranspringperiode verringert die Menge der Auspuffemissionen. In einem Beispiel erzeugt ein Einstellpunktmodul die Soll-Abgasenthalpie basierend auf einer nichtlinearen Beziehung zwischen den Zuständen des Katalysators und der Soll-Abgasenthalpie. Die Katalysatorzustände umfassen eine Temperatur des Katalysators, eine Konzentration von Sauerstoff in dem Katalysator und / oder eine Konzentration von Emissionen in dem Abgassystem stromabwärts des Katalysators. In einem anderen Beispiel erzeugt ein zweites MPC-Modul die Soll-Abgasenthalpie unter Verwendung eines linearen Modells des Katalysators.
  • Mit Bezug nun auf 1 weist das Kraftmaschinensystem 100 eine Kraftmaschine 102 auf, die ein Luft/Kraftstoff-Gemisch verbrennt, um Antriebsdrehmoment für ein Fahrzeug zu erzeugen. Die Menge des durch die Kraftmaschine 102 erzeugten Antriebsdrehmoments basiert auf einer Fahrereingabe von einem Fahrereingabemodul 104. Die Kraftmaschine 102 kann eine Benzin-Fremdzündungs-Brennkraftmaschine sein.
  • Luft wird in einen Einlasskrümmer 110 durch ein Drosselventil 112 gezogen. Beispielhaft kann das Drosselventil 112 eine Ventilklappe sein, die eine drehbare Klappe aufweist. Ein Kraftmaschinensteuermodul (ECM) 114 steuert ein Drosselaktormodul 116, das ein Öffnen des Drosselventils 112 reguliert, um die in den Einlasskrümmer 110 gezogene Menge an Luft zu steuern.
  • Luft von dem Einlasskrümmer 110 wird in die Zylinder der Kraftmaschine 102 gezogen. Während die Kraftmaschine 102 mehrere Zylinder aufweisen kann, ist zu Veranschaulichungszwecken ein einzelner repräsentativer Zylinder 118 gezeigt. Beispielhaft kann die Kraftmaschine 102 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10 und/oder 12 Zylinder aufweisen. Das ECM 114 kann ein Zylinderaktormodul 120 anweisen, einige der Zylinder selektiv abzuschalten, was die Kraftstoffwirtschaftlichkeit unter gewissen Kraftmaschinenbetriebsbedingungen verbessern kann.
  • Die Kraftmaschine 102 kann unter Verwendung eines Viertaktzyklus arbeiten. Die im Folgenden beschriebenen vier Takte können als der Einlasstakt, der Verdichtungstakt, der Arbeitstakt und der Ausstoßtakt bezeichnet werden. Während jeder Umdrehung einer Kurbelwelle (nicht gezeigt) finden zwei der vier Takte in dem Zylinder 118 statt. Daher sind zwei Kurbelwellenumdrehungen notwendig, damit der Zylinder 118 allen vier der Takte ausgesetzt ist.
  • Während des Einlasstakts wird Luft von dem Einlasskrümmer 110 in den Zylinder 118 durch ein Einlassventil 122 gezogen. Das ECM 114 steuert ein Kraftstoffaktormodul 124, das die Kraftstoffeinspritzung regelt, um ein Ziel-Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu erzielen. Kraftstoff kann in den Einlasskrümmer 110 an einer zentralen Stelle oder an mehreren Stellen eingespritzt werden, wie nahe dem Einlassventil 122 von jedem der Zylinder. Bei verschiedenen Implementierungen (nicht gezeigt) kann Kraftstoff direkt in die Zylinder oder in Mischkammern, die den Zylindern zugeordnet sind, eingespritzt werden. Das Kraftstoffaktormodul 124 kann die Einspritzung von Kraftstoff in Zylinder, die deaktiviert sind, anhalten.
  • Der eingespritzte Kraftstoff mischt sich mit Luft und erzeugt ein Luft/Kraftstoff-Gemisch in dem Zylinder 118. Während des Verdichtungstaktes komprimiert ein Kolben (nicht gezeigt) in dem Zylinder 118 das Luft/Kraftstoff-Gemisch. Ein Zündaktormodul 126 setzt eine Zündkerze 128 in dem Zylinder 118 auf der Grundlage eines Signals von dem ECM 114 unter Strom, was das Luft/Kraftstoff-Gemisch zündet. Die Zeiteinstellung des Zündfunkens kann im Vergleich zu dem Zeitpunkt, zu dem der Kolben in seiner obersten Position ist, was als oberer Totpunkt (TDC) bezeichnet wird, spezifiziert werden.
  • Das Zündaktormodul 126 kann durch ein Zündzeitpunktsignal gesteuert werden, das festlegt, wie weit vor oder nach dem OT der Zündfunken erzeugt werden soll. Da die Kolbenposition direkt mit der Kurbelwellendrehung in Verbindung steht, kann ein Betrieb des Zündaktormoduls 126 mit dem Kurbelwellenwinkel synchronisiert sein. Die Erzeugung von Zündfunken kann als ein Zündereignis bezeichnet werden. Das Zündaktormodul 126 kann die Fähigkeit haben, den Zündzeitpunkt des Zündfunkens für jedes Zündereignis zu variieren. Wenn die Zündfunken-Zeiteinstellung zwischen einem letzten Zündereignis und dem nächsten Zündereignis geändert wird, kann das Zündaktormodul 126 die Zündfunken-Zeiteinstellung für ein nächstes Zündereignis variieren. Das Zündaktormodul 126 kann die Bereitstellung des Zündfunkens für deaktivierte Zylinder anhalten.
  • Während des Verbrennungstakts treibt die Verbrennung des Luft/KraftstoffGemisches den Kolben weg von dem TDC, wodurch die Kurbelwelle angetrieben wird. Der Verbrennungstakt kann als die Zeitdauer zwischen dem Zeitpunkt, zu dem der Kolben den TDC erreicht, und dem Zeitpunkt, zu dem der Kolben den unteren Totpunkt (BDC) erreicht, definiert werden. Während des Ausstoßtakts beginnt sich der Kolben von dem BDC wegzubewegen, wobei er die Nebenprodukte der Verbrennung durch ein Auslassventil 130 ausstößt. Die Nebenprodukte der Verbrennung werden von dem Fahrzeug über ein Abgassystem 134 ausgestoßen. Das Abgassystem 134 weist einen Katalysator 136 auf, wie einen Drei-Wege-Katalysator (TWC). Der Katalysator 136 reagiert mit einer oder mehreren Komponenten des durch den Katalysator 136 strömenden Abgases. Wenn das Abgas kraftstoffarm (sauerstoffreich) ist, speichert der Katalysator 136 Sauerstoff.
  • Das Einlassventil 122 kann durch eine Einlassnockenwelle 140 gesteuert werden, während das Abgasventil 130 durch eine Auslassnockenwelle 142 gesteuert werden kann. Bei verschiedenen Implementierungen können mehrere Einlassnockenwellen (einschließlich der Einlassnockenwelle 140) mehrere Einlassventile (einschließlich dem Einlassventil 122) für den Zylinder 118 steuern und/oder können die Einlassventile (einschließlich dem Einlassventil 122) mehrerer Bänke von Zylindern (einschließlich dem Zylinder 118) steuern. In ähnlicher Weise können mehrere Abgasnockenwellen (einschließlich der Abgasnockenwelle 142) mehrere Abgasventile für den Zylinder 118 steuern und/oder können Abgasventile (einschließlich dem Abgasventil 130) für mehrere Zylinderbänke (einschließlich dem Zylinder 118) steuern. Bei verschiedenen anderen Implementierungen können das Einlassventil 122 und/oder das Auslassventil 130 durch andere Vorrichtungen als Nockenwellen wie etwa durch nockenlose Ventilaktoren gesteuert werden. Das Zylinderaktormodul 120 kann den Zylinder 118 durch Deaktivieren eines Öffnens des Einlassventils 122 und/oder des Abgasventils 130 deaktivieren.
  • Der Zeitpunkt, zu dem das Einlassventil 122 geöffnet wird, kann in Bezug auf den Kolben-TDC durch einen Einlassnocken-Phasensteller 148 geändert werden. Der Zeitpunkt, zu dem das Auslassventil 130 geöffnet wird, kann in Bezug auf den Kolben-TDC durch einen Auslassnocken-Phasensteller 150 geändert werden. Ein Phasenstelleraktormodul 158 kann den Einlassnockenphasensteller 148 und den Auslassnockenphasensteller 150 auf Grundlage von Signalen von dem ECM 114 steuern. Wenn ein variabler Ventilhub implementiert ist (nicht gezeigt), kann er ebenfalls durch das Phasensteller-Aktormodul 158 gesteuert werden.
  • Das Kraftmaschinensystem 100 kann einen Turbolader enthalten, der eine heiße Turbine 160-1 enthält, die durch heiße Abgase, die durch das Abgassystem 134 strömen, mit Leistung versorgt wird. Außerdem enthält der Turbolader einen Kaltluftverdichter 160-2, der durch die Turbine 160-1 angetrieben wird. Der Verdichter 160-2 verdichtet Luft, die in die Drosselklappe 112 führt. Bei verschiedenen Implementierungen kann ein durch die Kurbelwelle angetriebener Lader (nicht gezeigt) Luft von der Drosselklappe 112 verdichten und die Druckluft an den Einlasskrümmer 110 liefern.
  • Ein Ladedruckregelventil 162 kann ermöglichen, dass Abgas die Turbine 160-1 umgeht, wodurch der durch den Turbolader bereitgestellte Ladedruck (der Betrag der Einlassluftverdichtung) verringert wird. Das Ladedruckaktormodul 164 kann den Ladedruck des Turboladers dadurch steuern, dass es das Öffnen des Ladedruckregelventils 162 steuert. Bei verschiedenen Implementierungen können zwei oder mehr Turbolader implementiert sein und können diese durch das Ladedruckaktormodul 164 gesteuert werden.
  • Ein Luftkühler (nicht gezeigt) kann Wärme von der Druckluftladung an ein Kühlmedium wie etwa an ein Kraftmaschinenkühlmittel oder an Luft übertragen. Ein Luftkühler, der die Druckluftladung unter Verwendung von Kraftmaschinenkühlmittel kühlt, kann als ein Zwischenkühler bezeichnet werden. Ein Luftkühler, der die Druckluftladung unter Verwendung von Luft kühlt, kann als ein Ladeluftkühler bezeichnet werden. Die Druckluftladung kann Wärme z. B. über Verdichtung und/oder von Komponenten des Abgassystems 134 empfangen. Obgleich die Turbine 160-1 und der Verdichter 160-2 zu Veranschaulichungszwecken getrennt gezeigt sind, können sie aneinander angebracht sein, was Einlassluft in nächster Nähe zu heißem Abgas anordnet.
  • Das Kraftmaschinensystem 100 kann ein Abgasrückführungs-(AGR)-Ventil 170 aufweisen, das Abgas selektiv zurück an den Einlasskrümmer 110 lenkt. Das AGR-Ventil 170 kann stromaufwärts der Turbine 160-1 des Turboladers positioniert sein. Das AGR-Ventil 170 kann durch ein AGR-Aktormodul 172 auf der Grundlage von Signalen von dem ECM 114 gesteuert werden.
  • Ein stromaufwärtiger Sauerstoffsensor 176 misst eine Menge (z.B. Konzentration) von Sauerstoff in dem Abgas, das in den Katalysator 136 strömt. Ein stromabwärtiger Sauerstoffsensor 177 misst eine Menge (z.B. Konzentration) von Sauerstoff in dem Abgas stromabwärts des Katalysators 136. Das ECM 114 kann Signale von den Sensoren und/oder von einem oder von mehreren anderen Sensoren verwenden, um Steuerentscheidungen für das Kraftmaschinensystem 100 zu treffen.
  • Unter Verwendung eines Kurbelwellenpositionssensors 180 kann eine Position der Kurbelwelle gemessen werden. Auf der Grundlage der Kurbelwellenposition kann eine Drehzahl der Kurbelwelle (eine Kraftmaschinendrehzahl) bestimmt werden. Unter Verwendung eines Kraftmaschinenkühlmitteltemperatur-Sensors (ECT-Sensors) 182 kann eine Temperatur des Kraftmaschinenkühlmittels gemessen werden. Der ECT-Sensor 182 kann in der Kraftmaschine 102 oder an anderen Stellen angeordnet sein, an denen das Kühlmittel zirkuliert wird, wie einem Kühler (nicht gezeigt).
  • Unter Verwendung eines Krümmerabsolutdruck-Sensors (MAP-Sensors) 184 kann ein Druck innerhalb des Einlasskrümmers 110 gemessen werden. Bei verschiedenen Implementierungen kann ein Kraftmaschinenunterdruck, der die Differenz zwischen Umgebungsluftdruck und dem Druck in dem Einlasskrümmer 110 ist, gemessen werden. Unter Verwendung eines Luftmassenströmungs-Sensors (MAF-Sensors) 186 kann ein Massendurchfluss der in den Einlasskrümmer 110 strömenden Luft gemessen werden. Bei verschiedenen Implementierungen kann der MAF-Sensor 186 in einem Gehäuse angeordnet sein, das auch das Drosselklappenventil 112 aufweist.
  • Das Drosselklappenaktormodul 116 kann die Position des Drosselklappenventils 112 unter Verwendung eines oder mehrerer Drosselpositionssensoren (TPS von engl.: „throttle position sensor“) 190 überwachen. Unter Verwendung eines Einlasslufttemperatur-Sensors (IAT-Sensors) 192 kann eine Umgebungstemperatur der in die Kraftmaschine 102 angesaugten Luft gemessen werden. Außerdem kann das Kraftmaschinensystem 100 einen oder mehrere andere Sensoren 193 wie etwa einen Katalysatortemperatursensor, einen Umgebungsfeuchtigkeitssensor, einen oder mehrere Klopfsensoren, einen Verdichterauslassdrucksensor und/oder einen Drosseleinlassdrucksensor, einen Ladedruckregelventil-Positionssensor, einen AGR-Positionssensor und/oder einen oder mehrere andere geeignete Sensoren enthalten. Der Katalysatortemperatursensor kann in dem Abgassystem 134 stromaufwärts von dem Katalysator 136 angeordnet sein. Das ECM 114 kann Signale von den Sensoren verwenden, um Steuerentscheidungen für das Kraftmaschinensystem 100 zu treffen.
  • Das ECM 114 kann mit einem Getriebesteuermodul 194 kommunizieren, um ein Schalten von Gängen in einem Getriebe (nicht gezeigt) zu koordinieren. Beispielsweise kann das ECM 114 ein Kraftmaschinendrehmoment während eines Gangschaltens reduzieren. Das ECM 114 kann mit einem Hybridsteuermodul 196 kommunizieren, um einen Betrieb der Kraftmaschine 102 und eines Elektromotors 198 zu koordinieren.
  • Der Elektromotor 198 kann auch als ein Generator dienen und kann dazu verwendet werden, elektrische Energie zur Verwendung durch elektrische Fahrzeugsysteme und/oder zur Speicherung in einer Batterie zu erzeugen. In verschiedenen Implementierungen können verschiedene Funktionen des ECM 114, des Getriebesteuermoduls 194 und des Hybridsteuermoduls 196 in einem oder in mehreren Modulen integriert sein.
  • Jedes System, das einen Kraftmaschinenparameter variiert, kann als ein Kraftmaschinenaktor bezeichnet werden. Zum Beispiel kann das Drosselaktormodul 116 die Öffnung der Drosselklappe 116 einstellen, um eine Ziel-Drosselklappen-Öffnungsfläche zu erzielen. Das Zündaktormodul 126 steuert die Zündkerzen, um eine Ziel-Zündfunken-Zeiteinstellung relativ zum Kolben-TDC zu erzielen. Das Kraftstoffaktormodul 124 steuert die Kraftstoffeinspritzeinrichtungen, um Ziel-Kraftstoffbeaufschlagungsparameter zu erzielen. Das Phasensteller-Aktormodul 158 kann den Einlassnocken-Phasensteller und den Auslassnocken-Phasensteller 148 und 150 steuern, um Ziel-Einlassnocken-Phasenstellerwinkel bzw. Ziel-Auslassnocken-Phasenstellerwinkel zu erzielen. Das AGR-Aktormodul 172 kann das AGR-Ventil 170 steuern, um eine Ziel-AGR-Öffnungsfläche zu erzielen. Das Ladedruckaktormodul 164 steuert das Ladedruckregelventil 162, um eine Ziel-Ladedruckregelventil-Öffnungsfläche zu erzielen. Das Zylinderaktormodul 120 steuert die Zylinderdeaktivierung, um eine Ziel-Anzahl aktivierter oder deaktivierter Zylinder zu erzielen.
  • Das ECM 114 erzeugt die Zielwerte für die Kraftmaschinenaktoren, um zu veranlassen, dass die Kraftmaschine 102 ein Ziel-Kraftmaschinen-Ausgangsdrehmoment erzeugt. Wie im Folgenden weiter diskutiert wird, erzeugt das ECM 114 die Zielwerte für die Kraftmaschinenaktoren unter Verwendung der Modellvorhersagesteueru ng.
  • Mit Bezug nun auf 2 weist eine beispielhafte Implementierung des ECM 114 ein Fahrdrehmomentmodul auf. Das Fahrerdrehmomentmodul 202 bestimmt auf der Grundlage einer Fahrereingabe 206 von dem Fahrereingabemodul 104 eine Fahrerdrehmomentanforderung 204. Die Fahrereingabe 206 kann z. B. auf einer Position eines Fahrpedals und auf einer Position eines Bremspedals beruhen. Außerdem kann die Fahrereingabe 206 auf einer Fahrtregelung beruhen, der ein adaptives Fahrtregelungssystem sein kann, das die Fahrzeuggeschwindigkeit variiert, um einen vorgegebenen Folgeabstand einzuhalten. Das Fahrerdrehmomentmodul 202 kann eine oder mehrere Kennlinien der Fahrpedalposition auf das Zieldrehmoment speichern und kann auf der Grundlage einer ausgewählten der Kennlinie die Fahrerdrehmomentanforderung 204 bestimmen. Das Fahrerdrehmomentmodul 202 kann auch einen oder mehrere Filter anwenden, um die Rate von Änderungen der Fahrerdrehmomentanforderung 204 zu begrenzen.
  • Ein Achsdrehmoment-Arbitrierungsmodul 208 arbitriert zwischen der Fahrerdrehmomentanforderung 204 und anderen Achsdrehmomentanforderungen 210. Das Achsendrehmoment (Drehmoment an den Rädern) kann durch verschiedene Quellen erzeugt werden, einschließlich einer Kraftmaschine und/oder einem Elektromotor. Zum Beispiel können die Achsdrehmomentanforderungen 210 eine Drehmomentverringerung umfassen, die durch ein Traktionssteuersystem angefordert wird, wenn ein positiver Radschlupf detektiert wird. Ein positiver Radschlupf findet statt, wenn ein Achsendrehmoment eine Reibung zwischen den Rädern und der Straßenoberfläche überwindet und die Räder beginnen, gegen die Straßenfläche zu rutschen. Außerdem können die Achsdrehmomentanforderungen 210 eine Drehmomenterhöhungsanforderung erhalten, um einem negativen Radschlupf entgegenzuwirken, bei dem ein Reifen des Fahrzeugs in der anderen Richtung in Bezug auf die Straßenoberfläche rutscht, da das Achsdrehmoment negativ ist.
  • Außerdem können die Achsdrehmomentanforderungen 210 Bremsmanagementanforderungen und Fahrzeugübergeschwindigkeits-Drehmomentanforderungen umfassen. Bremsmanagementanforderungen können ein Achsendrehmoment reduzieren, um sicherzustellen, dass das Achsendrehmoment die Fähigkeit der Bremsen zum Halten des Fahrzeugs, wenn das Fahrzeug gestoppt wird, nicht überschreitet. Fahrzeugübergeschwindigkeitsdrehmomentanforderungen können das Achsendrehmoment reduzieren, um zu verhindern, dass das Fahrzeug eine vorbestimmte Geschwindigkeit überschreitet. Die Achsdrehmomentanforderungen 210 können ebenfalls durch Fahrzeugstabilitätssteuersysteme erzeugt werden.
  • Das Achsdrehmoment-Arbitrierungsmodul 208 gibt eine Achsdrehmomentanforderung 212 auf der Grundlage der Ergebnisse einer Arbitrierung zwischen den empfangenen Achsdrehmomentanforderungen 204 und 210 aus. Wie im Folgenden beschrieben wird, kann die Achsdrehmomentanforderung 212 von dem Achsdrehmoment-Arbitrierungsmodul 208 wahlweise durch andere Module des ECM 114 eingestellt werden, bevor sie zum Steuern der Kraftmaschinenaktoren verwendet werden.
  • Das Achsdrehmoment-Arbitrierungsmodul 208 kann die Achsdrehmomentanforderung 212 an ein Vortriebsdrehmoment-Arbitrierungsmodul 214 ausgeben. Bei verschiedenen Implementierungen kann das Achsdrehmomentarbitrierungsmodul 208 die Achsendrehmomentanforderung 212 an ein Hybridoptimierungsmodul 216 ausgeben. Das Hybridoptimierungsmodul 216 kann bestimmen, wie viel Drehmoment durch die Kraftmaschine 102 erzeugt werden sollte und wie viel Drehmoment durch den Elektromotor 198 erzeugt werden sollte. Das Hybridoptimierungsmodul 216 gibt dann eine modifizierte Achsendrehmomentanforderung 218 an das Vortriebsdrehmoment-Arbitrierungsmodul 214 aus.
  • Das Vortriebsdrehmoment-Arbitierungsmodul 214 wandelt die Achsendrehmomentanforderung 212 (oder die modifizierte Achsendrehmomentanforderung 218) von einer Achsendrehmomentdomäne (Drehmoment an den Rädern) in eine Vortriebsdrehmomentdomäne (Drehmoment an der Kurbelwelle) um. Das Vortriebsdrehmoment-Arbitrierungsmodul 214 arbitriert zwischen der (umgesetzten) Achsdrehmomentanforderung 212 und anderen Vortriebsdrehmomentanforderungen 220. Das Vortriebsdrehmoment-Arbitrierungsmodul 214 erzeugt infolge der Arbitrierung eine Vortriebsdrehmomentanforderung 222.
  • Die Vortriebsdrehmomentanforderungen 220 können z. B. Drehmomentverringerungen für den Kraftmaschinen-Überdrehzahlschutz, Drehmomenterhöhungen zum Verhindern von Stehenbleiben und durch das Getriebesteuermodul 194 zur Anpassung an Gangschaltungen angeforderte Drehmomentverringerungen enthalten. Außerdem können sich die Vortriebsdrehmomentanforderungen 220 aus einer Kupplungskraftstoffabschaltung ergeben, die das Kraftstoffausgangsdrehmoment verringert, wenn der Fahrer in einem Handschaltgetriebefahrzeug das Kupplungspedal niederdrückt, um ein Hochdrehen der Kraftmaschinendrehzahl zu verhindern.
  • Außerdem können die Vortriebsdrehmomentanforderungen 220 eine Kraftmaschinenabschaltanforderung enthalten, die initiiert werden kann, wenn ein kritischer Fehler detektiert wird. Beispielhaft können kritische Fehler eine Detektion eines Fahrzeugdiebstahls, eines verklemmten Anlassermotors, Probleme einer elektronischen Drosselklappensteuerung sowie unerwartete Drehmomentzunahmen aufweisen. Bei verschiedenen Implementierungen wählt, wenn eine Kraftmaschinenabschaltanforderung vorhanden ist, die Arbitrierung die Kraftmaschinenabschaltanforderung als die gewinnende Anforderung. Wenn die Kraftmaschinenabschaltanforderung vorhanden ist, kann das Vortriebsdrehmoment-Arbitrierungsmodul 214 Null als die Vortriebsdrehmomentanforderung 222 ausgeben.
  • Bei verschiedenen Implementierungen kann eine Kraftmaschinenabschaltanforderung die Kraftmaschine 102 separat von dem Arbitrierungsprozess einfach abschalten. Das Vortriebsdrehmoment-Arbitrierungsmodul 214 kann weiterhin die Kraftmaschinenabschaltanforderung empfangen, so dass z. B. geeignete Daten an andere Drehmomentanforderungseinrichtungen rückgekoppelt werden können. Zum Beispiel können alle anderen Drehmomentanforderungseinrichtungen informiert werden, dass sie die Arbitrierung verloren haben.
  • Ein Drehmomentreservemodul 224 erzeugt eine Drehmomentreserve 226, um Änderungen der Betriebsbedingungen der Kraftmaschine, die das Kraftmaschinenausgangsdrehmoment verringern können, zu kompensieren und/oder eine oder mehrere Lasten zu kompensieren. Bei einem Beispiel können das Luft/Kraftstoff-Verhältnis der Kraftmaschine und/oder der Luftmassenstrom direkt variiert werden, wie durch diagnostische intrusive Äquivalenzverhältnisprüfung und/oder neue Kraftmaschinenspülung. Vor Beginn dieser Prozesse kann das Drehmomentreservemodul 224 die Drehmomentreserve 226 erzeugen oder erhöhen, um Abnahmen im Kraftmaschinen-Ausgangsdrehmoment schnell zu versetzen, die daraus resultieren, dass das Luft / Kraftstoff-Gemisch während dieser Prozesse magerer wird.
  • Das Drehmomentreservemodul 224 kann auch die Drehmomentreserve 226 in Erwartung einer zukünftigen Last erzeugen oder erhöhen, wie einen Betrieb der Servolenkungspumpe oder den Eingriff einer Kupplung des Klimaanlagen-(A/C)-Kompressors. Das Drehmomentreservemodul 224 kann die Drehmomentreserve 226 für den Eingriff der A/C-Kompressorkupplung erstellen oder erhöhen, wenn der Fahrer zunächst eine Luftklimatisierung anfordert. Dann kann, wenn die A/ C-Kompressorkupplung in Eingriff tritt, das Drehmomentreservemodul 224 die Drehmomentreserve 226 um einen Betrag gleich der geschätzten Belastung der A/C-Kompressorkupplung verringern.
  • Ein Zielerzeugungsmodul 228 erzeugt Zielwerte für die Kraftmaschinenaktoren auf der Basis der Vortriebsdrehmomentanforderung 222, der Drehmomentreserve 226 und anderen Parametern, wie weiter unten diskutiert ist. Das Zielwert-Erzeugungsmodul 228 erzeugt die Zielwerte unter Verwendung einer Modellvorhersagesteuerung (MPC von model predictive control). Die Vortriebsdrehmomentanforderung 222 kann ein Bremsdrehmoment sein. Das Bremsdrehmoment kann sich auf ein Drehmoment bei der Kurbelwelle unter den aktuellen Betriebsbedingungen beziehen.
  • Die Zielwerte umfassen eine Ziel-Ladedruckregelventil-Öffnungsfläche 230, eine Ziel-Drosselöffnungsfläche 232, eine Ziel-AGR-Öffnungsfläche 234, einen Ziel-Einlassnocken-Phasenstellerwinkel 236 und einen Ziel-Auslassnocken-Phasenstellerwinkel 238. Die Zielwerte umfassen auch eine Ziel-Zündzeiteinstellung 240, eine zu aktivierende Ziel-Zylinderzahl 242 und Ziel-Kraftstoffbeaufschlagungsparameter 244. Das Ladedruckaktormodul 164 steuert das Ladedruckregelventil 162, um die Ziel-Ladedruckregelventil-Öffnungsfläche 230 zu erzielen. Zum Beispiel kann ein erstes Umsetzungsmodul 248 die Ziel-Ladedruckregelventil-Öffnungsfläche 230 in einen Ziel-Tastgrad 250 umsetzen, der an das Ladedruckregelventil 162 angelegt werden soll, und das Ladedruckaktormodul 164 kann auf der Grundlage des Ziel-Tastgrads 250 ein Signal an das Ladedruckregelventil 162 anlegen. In verschiedenen Implementierungen kann das erste Umsetzungsmodul 248 die Ziel-Ladedruckregelventil-Öffnungsfläche 230 in eine Ziel-Ladedruckregelventil-Position (nicht gezeigt) umsetzen und die Ziel-Ladedruckregelventil-Position in den Ziel-Tastgrad 250 umsetzen.
  • Das Drosselaktormodul 116 steuert das Drosselventil 112, um die Ziel-Drosselöffnungsfläche 232 zu erzielen. Zum Beispiel kann ein zweites Umsetzungsmodul 252 die Ziel-Drosselöffnungsfläche 232 in einen Ziel-Tastgrad 254 umsetzen, der an das Drosselventil 112 angelegt werden soll, und das Drosselaktormodul 116 kann auf der Grundlage des Ziel-Tastgrads 254 ein Signal an das Drosselventil 112 anlegen. In verschiedenen Implementierungen kann das zweite Umsetzungsmodul 252 die Ziel-Drosselöffnungsfläche 232 in eine Ziel-Drosselklappenposition (nicht gezeigt) umsetzen und die Ziel-Drosselklappenposition in den Ziel-Tastgrad 254 umsetzen.
  • Das AGR-Aktormodul 172 steuert das AGR-Ventil 170, um die Ziel-AGR-Öffnungsfläche 234 zu erzielen. Zum Beispiel kann ein drittes Umsetzungsmodul 256 die Ziel-AGR-Öffnungsfläche 234 in einen Ziel-Tastgrad 258 umsetzen, der an das AGR-Ventil 170 angelegt werden soll, und das AGR-Aktormodul 172 kann auf der Grundlage des Ziel-Tastgrads 258 ein Signal an das AGR-Ventil 170 anlegen. In verschiedenen Implementierungen kann das dritte Umsetzungsmodul 256 die Ziel-AGR-Öffnungsfläche 234 in eine Ziel-AGR-Position (nicht gezeigt) umsetzen und die Ziel-AGR-Position in den Ziel-Tastgrad 258 umsetzen.
  • Das Phasensteller-Aktormodul 158 steuert den Einlassnocken-Phasensteller 148, um den Ziel-Einlassnocken-Phasenstellerwinkel 236 zu erzielen. Außerdem steuert das Phasensteller-Aktormodul 158 den Auslassnocken-Phasensteller 150, um den Ziel-Auslassnocken-Phasenstellerwinkel 238 zu erzielen. In verschiedenen Implementierungen kann ein viertes Umsetzungsmodul (nicht gezeigt) enthalten sein und den Ziel-Einlassnocken-Phasenstellerwinkel und den Ziel-Auslassnocken-Phasenstellerwinkel 236 und 238 in einen Ziel-Einlasstastgrad bzw. in einen Ziel-Auslasstastgrad umsetzen. Das Phasensteller-Aktormodul 158 kann den Ziel-Einlasstastgrad und den Ziel-Auslasstastgrad an den Einlassnocken-Phasensteller und an den Auslassnocken-Phasensteller 148 bzw. 150 anlegen. In verschiedenen Implementierungen kann das Zielwert-Erzeugungsmodul 228 einen Ziel-Ventilüberlappungsfaktor und einen effektiven Zielhubraum bestimmen, und das Phasensteller-Aktormodul 158 kann den Einlassnocken-Phasensteller und den Auslassnocken-Phasensteller 148 und 150 steuern, um den Ziel-Überlappungsfaktor und den effektiven Zielhubraum zu erzielen.
  • Das Zündungsaktormodul 126 liefert auf der Grundlage der Ziel-Zündzeiteinstellung 240 Zündfunken. Das Zylinderaktormodul 120 aktiviert und deaktiviert wahlweise auf der Grundlage der Ziel-Zylinderzahl 242 die Ventile von Zylindern. Außerdem kann die Beaufschlagung mit Kraftstoff und Zündfunken für deaktivierte Zylinder gesperrt werden. Die Ziel-Kraftstoffbeaufschlagungsparameter 244 können zum Beispiel eine Zielanzahl von Kraftstoffeinspritzungen, eine Ziel-Kraftstoffmasse für jede Einspritzung und die Zielstartzeiteinstellung für jede Einspritzung aufweisen. Das Kraftstoffaktormodul 124 steuert die Kraftstoffbeaufschlagung auf der Grundlage der Ziel-Kraftstoffbeaufschlagungsparameter 244.
  • 3 ist ein Funktionsblockschaltbild einer beispielhaften Implementierung des Zielwert-Erzeugungsmoduls 228. Nun unter Bezugnahme auf die 2 und 3 kann die Vortriebsdrehmomentanforderung 222 wie oben diskutiert ein Bremsdrehmoment sein. Ein Drehmoment-Umsetzungsmodul 304 setzt die Vortriebsdrehmomentanforderung 222 von einem Bremsdrehmoment in ein Basisdrehmoment um. Die Drehmomentanforderung, die sich aus der Umsetzung in das Basisdrehmoment ergibt, wird als eine Basisdrehmomentanforderung 308 bezeichnet.
  • Basisdrehmomente können sich auf ein Drehmoment bei der Kurbelwelle beziehen, das während des Betriebs der Kraftmaschine 102 an einem Dynamometer erzeugt wird, während die Kraftmaschine 102 warm ist und an der Kraftmaschine 102 keine Drehmomentlasten durch Zubehör wie etwa eine Lichtmaschine und den A/C-Kompressor auferlegt werden. Das Drehmoment-Umsetzungsmodul 304 kann die Vortriebsdrehmomentanforderung 222 z. B. unter Verwendung eines Kennfelds oder einer Funktion, die die Bremsdrehmomente mit Basisdrehmomenten in Beziehung setzt, in die Basisdrehmomentanforderung 308 umsetzen. Bei verschiedenen Implementierungen kann das Drehmoment-Umsetzungsmodul 304 die Vortriebsdrehmomentanforderung 222 in einen anderen geeigneten Drehmomenttyp wie etwa in ein indiziertes Drehmoment umsetzen. Ein indiziertes Drehmoment kann sich auf ein Drehmoment bei der Kurbelwelle beziehen, das Arbeit zuzuschreiben ist, die über Verbrennung innerhalb der Zylinder erzeugt wird.
  • Ein MPC-Modul (Modellvorhersage-) Modul 312 erzeugt die Zielwerte 230-244 unter Verwendung von MPC. Das MPC-Modul 312 kann ein einzelnes Modul sein oder kann mehrere Module umfassen. Zum Beispiel kann das MPC-Modul 312 ein Sequenzbestimmungsmodul 316 enthalten. Das Sequenzbestimmungsmodul 316 bestimmt mögliche Sequenzen der Zielwerte 230-244, die während N künftiger Steuerschleifen zusammen verwendet werden können. Jede der möglichen durch das Sequenzbestimmungsmodul 316 identifizierten Sequenzen umfasst für jeden der Zielwerte 230-244 eine Sequenz von N Werten. Mit anderen Worten, jede mögliche Sequenz umfasst eine Sequenz von N Werten für die Ziel-Ladedruckregelventil-Öffnungsfläche 230, eine Sequenz von N Werten für die Ziel-Drosselöffnungsfläche 232, eine Sequenz von N Werten für die Ziel-AGR-Öffnungsfläche 234, eine Sequenz von N Werten für den Ziel-Einlassnocken-Phasenstellerwinkel 236 und eine Sequenz von N Werten für den Ziel-Auslassnocken-Phasenstellerwinkel 238. Jede mögliche Sequenz umfasst auch eine Sequenz von N Werten für die Ziel-Zündzeiteinstellung 240, die Ziel-Zylinderzahl 242 und die Ziel-Kraftstoffbeaufschlagungsparameter 244. Jeder der N Werte entspricht einer der N zukünftigen Steuerschleifen. N ist eine ganze Zahl größer oder gleich eins.
  • Ein Vorhersagemodul 323 bestimmt auf der Grundlage eines mathematischen Modells 324 der Kraftmaschine 102, exogener Eingaben 328 und Rückkopplungseingaben 330 jeweils das vorhergesagte Ansprechen der Kraftmaschine 102 auf die möglichen Sequenzen der Zielwerte 230-244. Zum Beispiel erzeugt auf der Basis einer möglichen Sequenz der Zielwerte 230-244, der exogenen Eingaben 328 und der Rückkopplungseingänge 330 unter Verwendung des Modells 324 das Vorhersagemodul 323 eine Sequenz von N vorhergesagten Drehmomenten der Kraftmaschine 102 für die N Steuerschleifen, eine Sequenz von N vorhergesagten Kraftstoffverbräuchen der Kraftmaschine 102 für die N Steuerschleifen, eine Sequenz von N vorhergesagten Emissionen in von der Kraftmaschine 102 erzeugtem Abgas für die N Steuerschleifen und eine Sequenz von N vorhergesagten Enthalpien von durch die Kraftmaschine 102 erzeugtem Abgas für die N Steuerschleifen. Die Abgasenthalpie kann eine Energiemenge in von einer Kraftmaschine pro Zeiteinheit erzeugtem Abgas betreffen. Während die Beispiele der oben beschriebenen vorhergesagten Parameter ein vorhergesagtes Drehmoment, einen vorhergesagten Kraftstoffverbrauch, vorhergesagte Emissionen und die vorhergesagte Abgasenthalpie umfassen, können die vorhergesagten Parameter einen oder mehrere andere vorhergesagte Betriebsparameter aufweisen.
  • Das Modell 324 kann eine auf der Grundlage von Charakteristiken der Kraftmaschine 102 kalibrierte Funktion oder ein entsprechend kalibriertes Kennfeld aufweisen. Die Beziehung zwischen den Reaktionen der Kraftmaschine 102, den Zielwerten 230-244, den exogenen Eingängen 328 und den Rückkopplungseingängen 330 kann über den gesamten Bereich der möglichen Kraftmaschinendrehzahlen und Kraftmaschinenlasten nichtlinear sein. Jedoch kann das Modell 324 eine Vielzahl von linearen Modellen aufweisen, die jeweils einem Kraftmaschinendrehzahl- und Lastbereich entsprechen. Das Vorhersagemodul 323 kann eines der Modelle auf der Grundlage der aktuellen Kraftmaschinendrehzahl und -last auswählen und das ausgewählte Modell verwenden, um die Reaktionen der Kraftmaschine 102 vorherzusagen. Zum Beispiel kann ein erstes Modell in einem Kraftmaschinendrehzahlbereich von 1.000 Umdrehungen pro Minute (U/min) bis 2000 U/min und einem Kraftmaschinenlastbereich von 100 Newtonmeter (Nm) bis 150 Nm verwendet werden. Ein zweites Modell kann in einem Kraftmaschinendrehzahlbereich von 1.000 U/min bis 2000 U/min und einem Kraftmaschinenlastbereich von 150 Nm bis 200 Nm verwendet werden. Ein drittes Modell kann in einem Kraftmaschinendrehzahlbereich von 2.000 U/min bis 3000 U/min und einem Kraftmaschinenlastbereich von 100 Nm bis 150 Nm verwendet werden.
  • Die exogenen Eingänge 328 können Parameter umfassen, die nicht direkt durch die Kraftmaschinenaktoren beeinflusst werden. Zum Beispiel können die exogenen Eingänge 328 Motordrehzahl, Turboladereinlassluftdruck, IAT, Abgasenthalpie, Umgebungsfeuchtigkeit, Umgebungslufttemperatur, Fahrzeuggeschwindigkeit und / oder einen oder mehrere andere Parameter umfassen. Die Rückkopplungseingaben 330 können z. B. eine geschätzte Drehmomentausgabe der Kraftmaschine 102, einen Auslassdruck stromabwärts der Turbine 160-1 des Turboladers, die IAT, eine APC der Kraftmaschine 102, eine geschätzte Restverdünnung, eine geschätzte externe Verdünnung, MAF, ein Luft/Kraftstoffverhältnis der Kraftmaschine 102, eine Zündzeiteinstellung und/oder einen oder mehrere andere geeignete Parameter enthalten. Die Rückkopplungseingaben 330 können unter Verwendung von Sensoren (z. B. den IAT) gemessen werden und/oder können auf der Grundlage eines oder mehrerer anderer Parameter geschätzt werden.
  • Die Verdünnung kann sich auf eine Menge Abgas von einem früheren Verbrennungsereignis beziehen, das für ein Verbrennungsereignis innerhalb eines Zylinders eingeschlossen ist. Die externe Verdünnung kann sich auf Abgas beziehen, das über das AGR-Ventil 170 für ein Verbrennungsereignis bereitgestellt wird. Die Restverdünnung (auch als interne Verdünnung bezeichnet) kann sich auf Abgas, das in einem Zylinder verbleibt, und/oder auf Abgas beziehen, das nach dem Ausstoßtakt eines Verbrennungszyklus in den Zylinder zurückgetrieben wird.
  • Die Verbrennungs-Phasenlageneinstellung kann sich auf eine Kurbelwellenposition, bei der eine vorgegebene Menge eingespritzten Kraftstoffs innerhalb eines Zylinders verbrannt wird, im Vergleich zu einer vorgegebenen Kurbelwellenposition für die Verbrennung der vorgegebenen Menge von injiziertem Kraftstoff beziehen. Zum Beispiel kann die Verbrennungs-Phasenlageneinstellung hinsichtlich CA50 im Vergleich zu einem vorgegebenen CA50 ausgedrückt werden. CA50 kann sich auf einen Kurbelwellenwinkel (CA) beziehen, bei dem 50 Prozent einer Masse eingespritzten Kraftstoffs innerhalb eines Zylinders verbrannt sind. Das vorgegebene CA50 kann einem CA50 entsprechen, bei dem aus dem eingespritzten Kraftstoff eine maximale Menge Arbeit erzeugt wird, und kann in verschiedenen Implementierungen näherungsweise 8,5 - näherungsweise 10 Grad nach dem TDC (oberen Totpunkt) sein. Obgleich die Verbrennungs-Phasenlageneinstellung hinsichtlich CA50-Werten diskutiert ist, kann irgendein geeigneter Parameter verwendet werden, der die Verbrennungs-Phasenlageneinstellung angibt. Obgleich die Verbrennungsqualität als Variationskoeffizient (COV) indizierter mittlerer effektiver Druckwerte (IMEP-Werte) diskutiert ist, kann außerdem ein anderer geeigneter Parameter verwendet werden, der die Verbrennungsqualität angibt.
  • Ein Abgasenthalpiemodul 331 kann die aktuelle Abgasenthalpie basierend auf einem Massendurchfluss des durch die Kraftmaschine 102 erzeugten Abgases, einer Temperatur des Abgases und einer chemischen Zusammensetzung des Abgases bestimmen. Beispielsweise kann das Abgasenthalpiemodul 331 die Abgasenthalpie basierend auf einer vorbestimmten Beziehung zwischen dem Abgasdurchfluss, der Abgastemperatur, der Abgaszusammensetzung und der Abgasenthalpie bestimmen. Die vorbestimmte Beziehung kann in einer Nachschlagetabelle ausgeführt sein und kann nichtlinear sein. Die aktuelle Abgasenthalpie kann einer der exogenen Eingänge 328 sein und / oder kann verwendet werden, um die vorhergesagte Abgasenthalpie zu bestimmen.
  • Ein Kostenmodul 332 bestimmt für jede der möglichen Sequenzen der Zielwerte 230-244 auf der Grundlage der vorhergesagten Parameter, die für eine mögliche Sequenz bestimmt worden sind, und der Referenzwerte 356 einen Kostenwert. Das Kostenmodul 332 kann den Kostenwert für jede der möglichen Sequenzen auf der Grundlage einer oder mehrerer Beziehungen zwischen einer vorhergesagten Abgasenthalpie und einem Abgasenthalpieeinstellpunkt 342 bestimmen. Der Abgasenthalpieeinstellpunkt 342 kann sich auf eine Zielenergiemenge des durch die Kraftmaschine 102 pro Zeiteinheit erzeugten Abgases beziehen. Das Kostenmodul 332 kann die Kosten für jede der möglichen Sequenzen der Zielwerte 266-270 auf der Grundlage der Perioden für die vorhergesagte Abgasenthalpie zum Erreichen des Abgasenthalpieeinstellpunktes 342 bestimmen. Zusätzlich oder alternativ kann das Kostenmodul 332 die Kosten für jede der möglichen Sequenzen der Zielwerte 266 - 270 basierend auf den Beträgen bestimmen, um die die vorhergesagte Abgasenthalpie den Abgasenthalpieeinstellpunkt 342 überschwingt oder unterschwingt. Zum Beispiel können die Kosten zunehmen, wenn die Periode für eine vorhergesagte Abgasenthalpie zum Erreichen des Abgasenthalpieeinstellpunkts 342 zunimmt und/oder wenn der Betrag, um den die vorhergesagte Abgasenthalpie den Abgasenthalpieeinstellpunkt 342 über- oder unterschwingt, steigt.
  • Die Beziehungen zwischen der vorhergesagten Abgasenthalpie und dem Abgasenthalpieeinstellpunkt 342 können gewichtet sein, um zu beeinflussen, um wie viel die Beziehung zwischen der vorhergesagten Abgasenthalpie und dem Abgasenthalpieeinstellpunkt 342 die Kosten beeinflusst. Beispielsweise kann die Beziehung zwischen der vorhergesagten Abgasenthalpie und dem Abgasenthalpieeinstellpunkt 342 gewichtet sein, um die Kosten stärker als die Beziehung zwischen einem anderen vorhergesagten Parameter und dem entsprechenden Referenzwert zu beeinflussen. Bei einem anderen Beispiel können die Kosten auf Grundlage einer Differenz zwischen der vorhergesagten Abgasenthalpie und dem Abgasenthalpieeinstellpunkt 342 bestimmt werden. Wie unten diskutiert ist, kann das MPC-Modul 312 die Kraftmaschinenaktoren auf Grundlage der einen der möglichen Sequenzen der Zielwerte 266 - 270 mit den geringsten Kosten steuern. Somit kann die Abgasenthalpie ein Steuerterm sein, der durch das MPC-Modul 312 optimiert und nachgeführt ist. Eine beispielhafte Kostenbestimmung wird im Folgenden weiter diskutiert.
  • Ein Auswahlmodul 344 wählt auf der Grundlage jeweiliger Kosten der möglichen Sequenzen eine der möglichen Sequenzen der Zielwerte 230-244 aus. Zum Beispiel kann das Auswahlmodul 344 die eine der möglichen Sequenzen mit den niedrigsten Kosten, während die Aktorbeschränkungen 348 und die Ausgabebeschränkungen 352 erfüllt sind, auswählen. Bei verschiedenen Implementierungen kann das Modell 324 die eine der möglichen Sequenzen mit den niedrigsten Kosten, während die Aktorbeschränkungen 348 und die Ausgabebeschränkungen 352 erfüllt sind, auswählen.
  • In verschiedenen Implementierungen kann bei der Kostenbestimmung ein Erfüllen der Ausgabebeschränkungen 352 berücksichtigt werden. Mit anderen Worten kann das Kostenmodul 332 die Kostenwerte ferner auf der Grundlage der Ausgabebeschränkungen 352 bestimmen. Wie es nachstehend weiter besprochen wird, wird das Auswahlmodul 344 auf der Grundlage davon, wie die Kostenwerte bestimmt werden, die eine der möglichen Sequenzen auswählen, die die Basisdrehmomentanforderung 308 am besten erzielt und die Abgasenthalpie maximiert.
  • Das Auswahlmodul 344 kann die Zielwerte 230-244 jeweils auf die Ersten der N Werte der ausgewählten möglichen Sequenz einstellen. Mit anderen Worten kann das Auswahlmodul 344 die Ziel-Ladedruckregelventil-Öffnungsfläche 230 auf den Ersten der N Werte in der Sequenz von N Werten für die Ziel-Ladedruckregelventil-Öffnungsfläche 230 einstellen, kann die Ziel-Drosselöffnungsfläche 232 auf den Ersten der N Werte in der Sequenz von N Werten für die Ziel-Drosselöffnungsfläche 232 einstellen, kann die Ziel-AGR-Öffnungsfläche 234 auf den Ersten der N Werte in der Sequenz von N Werten für die Ziel-AGR-Öffnungsfläche 234 einstellen, kann den Ziel-Einlassnocken-Phasenstellerwinkel 236 auf den Ersten der N Werte in der Sequenz von N Werten für den Ziel-Einlassnocken-Phasenstellerwinkel 236 einstellen und kann den Ziel-Auslassnocken-Phasenstellerwinkel 238 auf den Ersten der N Werte in der Sequenz von N Werten für den Ziel-Auslassnocken-Phasenstellerwinkel 238 einstellen. Das Auswahlmodul 344 stellt auch die Ziel-Zündzeiteinstellung 240 auf den Ersten der N Werte in der Sequenz von N Werten für die Ziel-Zündzeiteinstellung 240, die Ziel-Zylinderzahl 242 auf den Ersten der N Werte in der Sequenz von N Werten für die Ziel-Zylinderzahl 242 und die Ziel-Kraftstoffbeaufschlagungsparameter 244 auf den Ersten der N Werte in der Sequenz von N Werten für die Ziel-Kraftstoffbeaufschlagungsparameter 244 ein.
  • Während einer nächsten Steuerschleife identifiziert das MPC-Modul 312 mögliche Sequenzen, erzeugt die vorhergesagten Parameter für die möglichen Sequenzen, bestimmt die Kosten jeder der möglichen Sequenzen, wählt eine der möglichen Sequenzen aus und stellt die Zielwerte 230-244 auf den ersten Satz der Zielwerte 230-244 in der ausgewählten möglichen Sequenz ein. Dieser Prozess wird für jede Steuerschleife fortgesetzt.
  • Ein Aktorbeschränkungsmodul 360 (siehe 2) stellt für jeden der Zielwerte 230-244 die Aktorbeschränkungen 348 ein. Mit anderen Worten stellt das Aktorbeschränkungsmodul 360 Aktorbeschränkungen für das Drosselventil 112, Aktorbeschränkungen für das AGR-Ventil 170, Aktorbeschränkungen für das Ladedruckregelventil 162, Aktorbeschränkungen für den Einlassnocken-Phasensteller 148 und Aktorbeschränkungen für den Auslassnocken-Phasensteller 150 ein. Das Aktorbeschränkungsmodul 360 stellt auch Aktorbeschränkungen für das Zündungsaktormodul 126, Aktorbeschränkungen für das Zylinderaktormodul 120 und Aktorbeschränkungen für das Kraftstoffaktormodul 124 ein.
  • Die Aktorbeschränkungen 348 für jeden der Zielwerte 230-244 können einen Maximalwert für einen zugeordneten Zielwert und einen Minimalwert für diesen Zielwert enthalten. Allgemein kann das Aktorbeschränkungsmodul 360 die Aktorbeschränkungen 348 auf vorbestimmte Betriebsbereiche für die zugeordneten Kraftmaschinenaktoren einstellen. Im Einzelnen kann das Aktorbeschränkungsmodul 360 im Allgemeinen die Aktorbeschränkungen 348 jeweils auf vorbestimmte Betriebsbereiche für das Drosselventil 112, das AGR-Ventil 170, das Ladedruckregelventil 162, den Einlassnocken-Phasensteller 148, den Auslassnocken-Phasensteller 150, das Zündungsaktormodul 126, das Zylinderaktormodul 120 bzw. das Kraftstoffaktormodul 124 einstellen.
  • Ein Ausgabebeschränkungsmodul 364 (siehe 2) stellt die Ausgabebeschränkungen 352 für die vorhergesagte Drehmomentausgabe der Kraftmaschine 102, das vorhergesagte Luft/Kraftstoffverhältnis und die vorhergesagte Abgasenthalpie ein. Die Ausgabebeschränkungen 352 für jeden der vorhergesagten Parameter können einen Maximalwert für einen zugeordneten vorhergesagten Parameter und einen Minimalwert für diesen vorhergesagten Parameter enthalten. Zum Beispiel können die Ausgangsbeschränkungen 352 ein minimales Drehmoment, ein maximales Drehmoment, ein minimales Luft / Kraftstoff-Verhältnis, ein maximales Luft / Kraftstoff-Verhältnis, eine minimale Abgasenthalpie und eine maximale Abgasenthalpie enthalten.
  • Das Ausgabebeschränkungsmodul 364 kann die Ausgabebeschränkungen 352 jeweils allgemein auf vorgegebene Bereiche für die zugeordneten vorhergesagten Parameter einstellen. Allerdings kann das Ausgabebeschränkungsmodul 364 unter einigen Umständen eine oder mehrere der Ausgabebeschränkungen 352 variieren.
  • Ein Referenzmodul 368 (siehe 2) erzeugt jeweils die Referenzwerte 356 für die Zielwerte 230-244. Die Referenzwerte 356 umfassen für jeden der Zielwerte 230-244 eine Referenz. Mit anderen Worten, die Referenzwerte 356 enthalten eine Referenz-Ladedruckregelventil-Öffnungsfläche, eine Referenz-Drosselklappen-Öffnungsfläche, eine Referenz-AGR-Öffnungsfläche, einen Referenz-Einlassnocken-Phasenstellerwinkel und einen Referenz-Auslassnocken-Phasenstellerwinkel. Die Referenzwerte 356 weisen auch eine Referenzzündeinstellung, eine Referenzanzahl von Zylindern und Referenzkraftstoffbeaufschlagungsparameter auf.
  • Das Referenzmodul 368 kann die Referenzwerte 356 z. B. auf der Grundlage der Vortriebsdrehmomentanforderung 222 und/oder der Basis-Luftdrehmomentanforderung 308 bestimmen. Die Referenzwerte 356 stellen jeweils Referenzen zum Einstellen der Zielwerte 230-244 bereit. Wie im Folgenden diskutiert wird, können die Referenzwerte 356 verwendet werden, um die Kostenwerte für mögliche Sequenzen zu bestimmen. Außerdem können die Referenzwerte 356 aus einem oder mehreren anderen Gründen wie etwa durch das Sequenzbestimmungsmodul 316 zum Bestimmen möglicher Sequenzen verwendet werden.
  • Ein Einstellpunktmodul 370 erzeugt den Abgasenthalpieeinstellpunkt 342 basierend auf der Sauerstoffkonzentration in dem Katalysator 136, der Temperatur des Katalysators 136 und der Konzentrationen der Emissionen stromabwärts des Katalysators 136. Das Einstellpunktmodul 370 kann die Konzentration von Sauerstoff in dem Katalysator 136 auf der Grundlage der von den stromaufwärts und stromabwärts gelegenen Sauerstoffsensoren 176 und 177 erhaltenen Sauerstoffkonzentrationen bestimmen. Das Einstellpunktmodul 370 kann die Temperatur des Katalysators 136 auf der Basis der Abgastemperatur, die das Einstellpunktmodul 370 von den anderen Sensoren 193 empfangen kann, bestimmen. Das Einstellpunktmodul 370 kann auch die Konzentrationen von Emissionen, wie Kohlenwasserstoff, Stickoxid und Kohlenmonoxid von den anderen Sensoren 193 empfangen.
  • Das Einstellpunktmodul 370 kann den Abgasenthalpieeinstellpunkt 342 basierend auf einer vorbestimmten Beziehung zwischen der Sauerstoffkonzentration, der Temperatur des Katalysators, der Emissionskonzentration und des Abgasenthalpieeinstellpunkts 342 erzeugen. Die vorbestimmte Beziehung kann in einer Nachschlagetabelle ausgeführt sein und kann nichtlinear sein. Das Einstellpunktmodul 370 kann den Abgasenthalpieeinstellpunkt 342 einstellen, um eine Katalysatoranspringperiode zu minimieren und um die Menge von Emissionen, die in dem von der Kraftmaschine 102 während der Katalysatoranspringperiode erzeugten Abgas vorhanden sind, zu minimieren. Bei einem Beispiel kann das Einstellpunktmodul 370 den Abgasenthalpieeinstellpunkt 342 auf einen hohen Wert zu Beginn der Katalysatoranspringperiode einstellen und dann den Abgasenthalpieeinstellpunkt 342 über die Katalysatoranspringperiode hinweg verringern.
  • Die Katalysatoranspringperiode kann beginnen, wenn die Kraftmaschine 102 gestartet wird und die Temperatur des Katalysators geringer als eine Anspring- oder Aktivierungstemperatur ist. Der Katalysator 136 kann solange Emissionen nicht effektiv reduzieren, bis die Temperatur des Katalysators 136 größer als oder gleich der Aktivierungstemperatur ist. Die Katalysatoranspringperiode kann enden, wenn die Katalysatortemperatur gleich der Aktivierungstemperatur ist.
  • Anstelle oder zusätzlich zum Erzeugen von Sequenzen möglicher Zielwerte und zum Bestimmen der Kosten jeder der Sequenzen kann das MPC-Modul 312 eine Sequenz möglicher Zielwerte mit den niedrigsten Kosten unter Verwendung konvexer Optimierungstechniken identifizieren. Zum Beispiel kann das MPC-Modul 312 die Zielwerte 230-244 unter Verwendung eines Gleichungslösers der quadratischen Programmierung (QP) wie etwa eines Dantzig-QP-Gleichungslösers bestimmen. In einem anderen Beispiel kann das MPC-Modul 312 für die möglichen Sequenzen der Zielwerte 230-244 eine Fläche der Kostenwerte erzeugen und auf der Grundlage des Anstiegs der Kostenfläche eine Sequenz möglicher Zielwerte mit den niedrigsten Kosten identifizieren. Daraufhin kann das MPC-Modul 312 diese Sequenz möglicher Zielwerte testen, um zu bestimmen, ob diese Sequenz möglicher Zielwerte die Aktorbeschränkungen 348 erfüllt. Wenn dies der Fall ist, kann das MPC-Modul 312 die Zielwerte 230-244 jeweils auf die Ersten der N Werte dieser ausgewählten möglichen Sequenz einstellen, wie es oben besprochen wurde.
  • Wenn die Aktorbeschränkungen 348 nicht erfüllt sind, wählt das MPC-Modul 312 eine andere Sequenz möglicher Zielwerte mit nächst niedrigsten Kosten aus und testet diese Sequenz möglicher Zielwerte auf Erfüllung der Aktorbeschränkungen 348. Der Prozess des Auswählens einer Sequenz und des Testens der Sequenz auf Erfüllung der Aktorbeschränkungen 348 kann als eine Iteration bezeichnet werden. Es können mehrere Iterationen während jeder Steuerschleife durchgeführt werden.
  • Das MPC-Modul 312 führt Iterationen durch, bis eine Sequenz mit den niedrigsten Kosten identifiziert wird, die die Aktorbeschränkungen 348 erfüllt. Auf diese Weise wählt das MPC-Modul 312 die Sequenz möglicher Zielwerte mit den niedrigsten Kosten aus, während die Aktorbeschränkungen 348 und die Ausgabebeschränkungen 352 erfüllt werden. Wenn keine Sequenz identifiziert werden kann, kann das MPC-Modul 312 angeben, dass keine Lösung verfügbar ist.
  • Das Kostenmodul 332 kann die Kosten für die möglichen Sequenzen der Zielwerte 230-244 auf der Grundlage von Beziehungen bestimmen zwischen: dem vorhergesagten Drehmoment und der Basisdrehmomentanforderung 308, dem vorhergesagten Kraftstoffverbrauch und einem vorbestimmten minimalen Kraftstoffverbrauch; der vorhergesagten Emissionen und vorbestimmten minimalen Partikelemissionen; der vorhergesagten Abgasenthalpie und einer vorgegebenen maximalen Abgasenthalpie; und den möglichen Zielwerten und den jeweiligen Aktorbeschränkungen 348. Die Beziehungen können gewichtet werden, um z. B. die Wirkung zu steuern, die jede der Beziehungen auf die Kosten hat.
  • Beispielhaft kann das Kostenmodul 332 die Kosten (engl.: Cost) für eine mögliche Sequenz der Zielwerte 230-244 auf der Grundlage der folgenden Gleichung: C o s t = ∑ i = 1 N ρ ε 2 ‖ w T ∗ ( T P i − BT R i ) ‖ 2 + ‖ w F C ∗ ( F C P i − MinFC ) ‖ 2 +    ‖ w P E ∗ ( P E P i − MinPE ) ‖ 2 + ‖ w E E ∗ ( E E P i − EESP ) ‖ 2 ,
    Figure DE102015104194B4_0001
    vorbehaltlich der Aktorbeschränkungen 348 und der Ausgabebeschränkungen 352 bestimmen. Kosten sind die Kosten für die mögliche Sequenz der Zielwerte 230-244, TPi ist das vorhergesagte Drehmoment der Kraftmaschine 102 für die i-te der N Steuerschleifen, BTRi ist die Basis-Drehmomentanforderung 308 für die i-te der N Steuerschleifen und wT ist ein Gewichtungswert, der der Beziehung zwischen dem vorhergesagten Drehmoment und der Basis-Drehmomentanforderung zugeordnet ist.
  • FCPi ist der vorhergesagte Kraftstoffverbrauch für die i-te der N Steuerschleifen ist MinFC der vorbestimmte minimale Kraftstoffverbrauch und wFC ist ein der Beziehung zwischen dem vorausgesagten Kraftstoffverbrauch und dem vorbestimmten minimalen Kraftstoffverbrauch zugeordneter Gewichtungswert. PEPi betrifft die vorhergesagten Partikelemissionen für die i-te der N Steuerschleifen, MinPE ist die vorbestimmte minimale Partikelemissionen und wPE ist ein der Beziehung zwischen den vorhergesagten Partikelemissionen und den vorbestimmten minimalen Partikelemissionen zugeordneter Gewichtungswert. EEPi ist die vorhergesagte Abgasenthalpie für die i-te der N Steuerschleifen, EESP ist der Abgasenthalpieeinstellpunkt 342 und wEE ist ein der Beziehung zwischen der vorhergesagten Abgasenthalpie und dem Abgasenthalpieeinstellpunkt 342 zugeordneter Gewichtungswert.
  • Die obige Gleichung kann erweitert werden zu: C o s t = ∑ i = 1 N ρ ε 2 ‖ w T ∗ ( T P i − BT R i ) ‖ 2 + ‖ w F C ∗ ( F C P i − MinFC ) ‖ 2 + ‖ w P E ∗ ( P E P i − MinPE ) ‖ 2 + ‖ w E E ∗ ( E E P i − EESP ) ‖ 2 + ‖ w T V ∗ ( P T T O i − T O R e f i ‖ 2 + ‖ w W G ∗ ( P T W G O i − E G O R e f i ) ‖ 2 + ‖ w E G R ∗ ( P T E G R O i − E G R O R e f i ‖ 2 + ‖ w I P ∗ ( P T I C P i − I C P R e f i ) ‖ 2 + ‖ w E P ∗ ( P T C E P i − E C P R e f i ) ‖ 2 + ‖ w S ∗ ( P S i − S R e f i ) ‖ 2 + ‖ w N ∗ ( P N i − N R e f i ) ‖ 2 + ‖ w F ∗ ( P F i − F R e f i ) ‖ 2 ,
    Figure DE102015104194B4_0002
    vorbehaltlich der Aktorbeschränkungen 348 und der Ausgabebeschränkungen 352. PTTOi ist eine mögliche Zieldrosselklappenöffnung für die i-te der N Steuerschleifen, TORef ist die Referenzdrosselklappenöffnung für die i-te der N Steuerschleifen und wTV ist ein Gewichtungswert, der der Beziehung zwischen den möglichen Zieldrosselklappenöffnungen und den Referenzdrosselklappenöffnungen zugeordnet ist. PTWGOi ist eine mögliche Zielladedruckregelventilöffnung für die i-te der N Steuerschleifen, WGORef ist die Referenzladedruckregelventilöffnung für die i-te der N Steuerschleifen und wWG ist ein Gewichtungswert, der der Beziehung zwischen den möglichen Zielladedruckregelventilöffnungen und den Referenzladedruckregelventilöffnungen zugeordnet ist.
  • PTEGROi ist eine mögliche Ziel-AGR-Öffnung für die i-te der N Steuerschleifen, EGRRef ist die Referenz-EGR-Öffnung für die i-te der N Steuerschleifen und wEGR ist ein Gewichtungswert, der der Beziehung zwischen den möglichen Ziel-EGR-Öffnungen und den Referenz-EGR-Öffnungen zugeordnet ist. PTICi ist ein möglicher Zieleinlassnockenphasenstellerwinkel für die i-te der N Steuerschleifen, ICPref ist der Referenzeinlassnockenphasenstellerwinkel für die i-te der N Steuerschleifen und wIP ist ein Gewichtungswert, der der Beziehung zwischen dem möglichen Zieleinlassnockenphasenstellerwinkel und den Referenzeinlassnockenphasenstellerwinkeln zugeordnet ist. PTECi ist ein möglicher Zielauslassnockenphasenstellerwinkel für die i-te der N Steuerschleifen, ECPRef ist der Referenzabgasnockenphasenstellerwinkel für die i-te der N Steuerschleifen und wEP ist ein Gewichtungswert, der der Beziehung zwischen dem möglichen Zielabgasnockenphasenstellerwinkel und den Referenzabgasnockenphasenstellerwinkeln zugeordnet ist.
  • PSi ist eine mögliche Zielzündzeiteinstellung für die i-te der N Steuerschleifen, SRef ist die Referenzzündeinstellung für die i-te der N Steuerschleifen und wS ist ein Gewichtungswert, der der Beziehung zwischen den möglichen Zielzündeinstellungen und den Referenzzündeinstellungen zugeordnet ist. PNi ist eine mögliche Anzahl von Zylindern für die i-te der N Steuerschleifen, NRef ist die Referenzanzahl von Zylindern für die i-te der N Steuerschleifen und wN ist ein Gewichtungswert, der der Beziehung zwischen der möglichen Anzahl von Zylindern und der Referenzanzahl von Zylindern zugeordnet ist. PFi ist eine mögliche Kraftstoffbeaufschlagung für die i-te der N Steuerschleifen, FRef ist die Referenzkraftstoffbeaufschlagung für die i-te der N Steuerschleifen und wF ist ein Gewichtungswert, der der Beziehung zwischen der möglichen Kraftstoffbeaufschlagung und der Referenzkraftstoffbeaufschlagung zugeordnet ist.
  • ρ ist ein Gewichtungswert, der der Erfüllung der Ausgabebeschränkungen 352 zugeordnet ist. ε ist eine Variable, die das Kostenmodul 332 auf der Grundlage dessen einstellen kann, ob die Ausgabebeschränkungen 352 erfüllt sind. Zum Beispiel kann das Kostenmodul 332 ε erhöhen, wenn ein vorgegebener Parameter (z. B. wenigstens um einen vorgegebenen Betrag) größer oder kleiner als der entsprechende Minimal- oder Maximalwert ist. Das Kostenmodul 332 kann ε auf Null einstellen, wenn alle Ausgangsbeschränkungen 352 erfüllt sind. ρ kann größer als der Gewichtungswert wT, der Gewichtungswert wFC, der Gewichtungswert wPE, der Gewichtungswert wEE und die anderen Gewichtungswerte (wTV, wWG, wEGR, wIP, wEP, wS, wN, wF) sein, so dass die für eine mögliche Sequenz bestimmten Kosten groß sind, wenn eine oder mehrere der Ausgangsbeschränkungen 352 nicht erfüllt sind. Dies kann die Auswahl einer möglichen Sequenz verhindern, wenn eine oder mehrere der Ausgabebeschränkungen 352 nicht erfüllt sind.
  • Der Gewichtungswert wT kann größer als der Gewichtungswert wFC, der Gewichtungswert wPE, der Gewichtungswert wEE und die Gewichtungswerte wTV, wWG, wEGR, wIP, wEP, wS, wN und wF sein. Wie im Folgenden diskutiert wird, hat die Beziehung zwischen der Beziehung zwischen dem vorhergesagten Kraftmaschinendrehmoment und der Basis-Luftdrehmomentanforderung 308 auf diese Weise eine größere Wirkung auf die Kosten und somit auf die Auswahl einer der möglichen Sequenzen. Während die Differenz zwischen dem vorhergesagten Kraftmaschinendrehmoment und der Basisdrehmomentanforderung 308 zunimmt, nehmen die Kosten zu, und umgekehrt.
  • Der Gewichtungswert wFC, der Gewichtungswert wPE, und der Gewichtungswert wEE können größer als die Gewichtungswerte wTV, wWG, wEGR, wIP, wEP, wS, wN und wF sein. Auf diese Weise haben die Beziehung zwischen dem vorausgesagten Kraftstoffverbrauch und dem vorbestimmten minimalen Kraftstoffverbrauch, die Beziehung zwischen den vorausgesagten Partikelemissionen und den vorbestimmten minimalen Partikelemissionen sowie die Beziehung zwischen der vorhergesagten Abgasenthalpie und dem Abgasenthalpieeinstellpunkt 342 größere Auswirkungen auf die Kosten. Wenn das Auswahlmodul 344 die eine der möglichen Sequenzen mit den niedrigsten Kosten auswählen kann, kann das Auswahlmodul 344 die eine der möglichen Sequenzen auswählen, die die Basisdrehmomentanforderung 308 und den Abgasenthalpieinstellpunkt 342 am besten erzielt, während der Kraftstoffverbrauch und die Partikelemissionen minimiert werden.
  • Die Gewichtungswerte wTV, wWG, wEGR, wIP, wEP, wS, wN, and wF können kleiner als alle anderen Gewichtungswerte sein. Auf diese Weise können die Zielwerte 230-244 während des stationären Betriebs jeweils in der Nähe der oder bei den Referenzwerten 356 ausregeln. Während der Katalysatoranspringperiode jedoch kann das MPC-Modul 312 die Zielwerte 230-244 weg von den Referenzwerten 356 einstellen, um die Basisdrehmomentanforderung 308 enger nachzuführen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, die Partikelemissionen zu minimieren und die Abgasenthalpie zu maximieren, und zwar bei gleichzeitiger Erfüllung der Aktorbeschränkungen 348 und der Ausgangsbeschränkungen 352.
  • Unter Bezugnahme nun auf 4 kann in verschiedenen Implementierungen das ECM 114 ein Ziel-Abgasenthalpiemodul 402 anstelle des Einstellpunktmoduls 370 aufweisen. Das Ziel-Abgasenthalpiemodul 402 kann eine Ziel-Abgasenthalpie 404 erzeugen. Das Zielwert-Erzeugungsmodul 228 kann die Ziel-Abgasenthalpie 404 anstelle des Abgasenthalpie-Einstellpunktes 342 bei der Erzeugung der Zielwerte 230-244 verwenden.
  • Ein MPC- (Modellvorhersagesteuer-) Modul 406 erzeugt die Ziel-Abgasenthalpie 404 unter Verwendung von MPC. Ein Sequenzbestimmungsmodul 408 bestimmt mögliche Sequenzen der Ziel-Abgasenthalpie 404 für N künftige Steuerschleifen. Jede mögliche Sequenz umfasst N Werte für die Ziel-Abgasenthalpie 404. Jeder der N Werte entspricht einer der N zukünftigen Steuerschleifen. N ist eine ganze Zahl größer oder gleich eins.
  • Ein Vorhersagemodul 410 sagt Zustände des Katalysators 136 in Reaktion auf die möglichen Sequenzen der Ziel-Abgasenthalpie 404 basierend auf einem mathematischen Modell 412 des Katalysators 136, der exogenen Eingänge 328 und der Rückkopplungseingänge 330 vorher. Beispielsweise erzeugt das Vorhersagemodul 410 auf Grundlage einer möglichen Sequenz der Ziel-Abgasenthalpie 404, der exogenen Eingänge 328 und der Rückkopplungseingänge 330 unter Verwendung des Modells 412 eine Sequenz von N vorhergesagten Temperaturen des Katalysators 136, eine Sequenz von N vorhergesagten Konzentrationen von Sauerstoff in dem Katalysator 136 und eine Sequenz von N vorhergesagten Konzentrationen von Emissionen in dem Abgas stromabwärts von dem Katalysator 136. Das Vorhersagemodul 410 kann Konzentrationen von Emissionen, wie beispielsweise Kohlenwasserstoff, Stickoxid und Kohlenmonoxid, vorhersagen. Das Vorhersagemodul 410 kann auch die Enthalpie des durch die Kraftmaschine 102 erzeugten Abgases vorhersagen.
  • Das Modell 412 kann auf der Grundlage von Charakteristiken des Katalysators 136 eine kalibrierte Funktion oder ein kalibriertes Kennfeld aufweisen. Die Beziehung zwischen den Zuständen des Katalysators 136, der Ziel-Abgasenthalpie 404, der exogenen Eingänge 328 und der Rückkopplungseingänge 330 kann über den gesamten Bereich möglicher Katalysatorzustände nichtlinear sein. Jedoch kann das Modell 412 eine Vielzahl von linearen Modellen aufweisen, die jeweils Katalysatorzustandsbereichen entsprechen. Zum Beispiel kann jedes Modell einem Katalysatortemperaturbereich, einem Sauerstoffkonzentrationsbereich und einem Emissionskonzentrationsbereich entsprechen.
  • Das Vorhersagemodul 410 kann eines der Modelle basierend auf dem aktuellen Zustand des Katalysators 136 wählen und das ausgewählte Modell verwenden, um mögliche zukünftige Zustände des Katalysators vorherzusagen. Die Zustände des Katalysators 136 können die Temperatur des Katalysators 136, die Konzentration von Sauerstoff in dem Katalysator 136 und die Konzentrationen der Emissionen im Abgas stromabwärts von dem Katalysator 136 aufweisen. Das Vorhersagemodul 410 kann die Katalysatortemperatur und die Emissionskonzentrationen von den anderen Sensoren 193 empfangen. Das Vorhersagemodul 410 kann die Konzentration von Sauerstoff in dem Katalysator 136 auf der Grundlage der von den stromaufwärts und stromabwärts gelegenen Sauerstoffsensoren 176 und 177 erhaltenen Sauerstoffkonzentrationen bestimmen.
  • Ein Kostenmodul 414 bestimmt für jede der möglichen Sequenzen der Ziel-Abgasenthalpie 404 auf der Grundlage der vorhergesagten Katalysatorzustände, die für eine mögliche Sequenz bestimmt worden sind, und einer Referenzabgasenthalpie 416 einen Kostenwert. Eine beispielhafte Kostenbestimmung wird im Folgenden weiter diskutiert.
  • Das Referenzmodul 368 (siehe 2) kann die Referenzabgasenthalpie 416 erzeugen. Die Referenzabgasenthalpie 416 stellt eine Referenz für das Setzen der Zielabgasenthalpie 404 bereit. Das Referenzmodul 368 kann die Referenz-Abgasenthalpie 416 z. B. auf der Grundlage der Vortriebsdrehmomentanforderung 222 und/oder der Basisdrehmomentanforderung 308 bestimmen. Zusätzlich oder alternativ kann die Referenzabgasenthalpie 416 vorbestimmt sein.
    Der Referenzwert 416 kann verwendet werden, um die Kostenwerte für mögliche Sequenzen zu bestimmen, wie nachfolgend diskutiert ist. Außerdem kann die Referenzabgasenthalpie 416 aus einem oder mehreren anderen Gründen wie etwa durch das Sequenzbestimmungsmodul 408 zum Bestimmen möglicher Sequenzen verwendet werden.
  • Ein Auswahlmodul 418 wählt auf der Grundlage jeweiliger Kosten der möglichen Sequenzen eine der möglichen Sequenzen der Ziel-Abgasenthalpie 404 aus. Zum Beispiel kann das Auswahlmodul 418 die eine der möglichen Sequenzen mit den niedrigsten Kosten, während sie die Ausgabebeschränkungen 352 erfüllt, auswählen.
  • In verschiedenen Implementierungen kann bei der Kostenbestimmung ein Erfüllen der Ausgabebeschränkungen 352 berücksichtigt werden. Mit anderen Worten kann das Kostenmodul 414 die Kostenwerte ferner auf der Grundlage der Ausgabebeschränkungen 352 bestimmen. Wie es nachstehend weiter besprochen wird, kann das Auswahlmodul 418 auf der Grundlage davon, wie die Kostenwerte bestimmt werden, die eine der möglichen Sequenzen auswählen, die die Abgasenthalpie maximiert.
  • Das Auswahlmodul 418 kann die Ziel-Abgasenthalpie 404 auf den ersten der N Werte der gewählten möglichen Sequenz setzen. Mit anderen Worten kann das Auswahlmodul 418 die Ziel-Abgasenthalpie 404 auf den ersten der N Werte in der Sequenz von N Werten für die Ziel-Abgasenthalpie 404 setzen. Während einer nächsten Steuerschleife identifiziert das MPC-Modul 406 mögliche Sequenzen, erzeugt die vorhergesagten Parameter für die möglichen Sequenzen, bestimmt die Kosten jeder der möglichen Sequenzen, wählt eine der möglichen Sequenzen aus und stellt die Ziel-Abgasenthalpie 404 auf den ersten der N Werte der ausgewählten möglichen Sequenz ein. Dieser Prozess wird für jede Steuerschleife fortgesetzt.
  • Das MPC-Modul 406 kann die Ziel-Abgasenthalpie 404 unter Verwendung eines Gleichungslösers der quadratischen Programmierung (QP) wie etwa eines Dantzig-QP-Gleichungslösers bestimmen. Beispielsweise kann das MPC-Modul 406 für die möglichen Sequenzen der Ziel-Abgasenthalpie 404 eine Fläche der Kostenwerte erzeugen und auf der Grundlage des Anstiegs der Kostenfläche eine Sequenz möglicher Ziel-Abgasenthalpien mit den niedrigsten Kosten identifizieren. Das MPC-Modul 406 kann dann diese Sequenz möglicher Ziel-Abgasenthalpien testen, um zu bestimmen, ob die Sequenz die Ausgangsbeschränkungen 352 erfüllt. Wenn dies der Fall ist, kann das MPC-Modul 406 die Ziel-Abgasenthalpie 404 auf den ersten der N Werte dieser gewählten möglichen Sequenz setzen, wie oben diskutiert ist.
  • Wenn die Ausgangsbeschränkungen 352 nicht erfüllt sind, wählt das MPC-Modul 406 eine andere Sequenz möglicher Abgasenthalpien mit nächst niedrigsten Kosten aus und testet diese Sequenz auf Erfüllung der Ausgangsbeschränkungen 352. Der Prozess des Auswählens einer Sequenz und des Testens der Sequenz auf Erfüllung der Ausgangsbeschränkungen 352 kann als eine Iteration bezeichnet werden. Es können mehrere Iterationen während jeder Steuerschleife durchgeführt werden.
  • Das MPC-Modul 406 führt Iterationen durch, bis eine Sequenz mit den niedrigsten Kosten identifiziert wird, die die Ausgangsbeschränkungen 352 erfüllt. Auf diese Weise wählt das MPC-Modul 406 die Sequenz möglicher Ziel-Abgasenthalpien mit den niedrigsten Kosten aus, während die Ausgabebeschränkungen 352 erfüllt werden. Wenn keine Sequenz identifiziert werden kann, kann das MPC-Modul 406 angeben, dass keine Lösung verfügbar ist.
  • Das Kostenmodul 414 kann den Kostenwert für jede der möglichen Sequenzen anhand einer oder mehrerer Beziehungen feststellen zwischen: der vorhergesagten Katalysatortemperatur und einer vorgegebenen maximalen Katalysatortemperatur; der vorhergesagten Sauerstoffkonzentration und einer vorbestimmten Sauerstoffkonzentration; der vorhergesagten Emissionskonzentration und einer vorbestimmten Emissionskonzentration; und einer vorhergesagten Abgasenthalpie und der Referenz-Abgasenthalpie 416. Die Beziehungen können gewichtet werden, um z. B. die Wirkung zu steuern, die jede der Beziehungen auf die Kosten hat.
  • Beispielhaft kann das Kostenmodul 332 die Kosten (engl.: Cost) für eine mögliche Sequenz der Ziel-Abgasenthalpie 404 auf der Grundlage der folgenden Gleichung: C o s t = ∑ i = 1 N ρ ε 2 ‖ w E E ∗ ( E E P i − R e f E E i ) ‖ 2 + ‖ w C T ∗ ( C T P i − M a x CT ) ‖ 2 + ‖ w O C ∗ ( O C P i − PreOC ) ‖ 2 + ‖ w E C ∗ ( E C P i − PreEC ) ‖ 2 ,
    Figure DE102015104194B4_0003
    vorbehaltlich der Aktorbeschränkungen 352 bestimmen. Kosten (Cost) sind die Kosten für die mögliche Sequenz der Zielabgasenthalpie 404. EEPi ist die vorhergesagte Abgasenthalpie für die i-te der N Steuerschleifen, ist RefEEi die Referenz-Abgasenthalpie 416 für die i-te eine der N Steuerschleifen und wEE ist ein der Beziehung zwischen der vorhergesagten Abgasenthalpie und der Referenz-Abgasenthalpie zugeordneter Gewichtungswert.
  • CTPI ist die vorhergesagte Katalysatortemperatur für die i-te der N Steuerschleifen, MaxCT ist die vorgegebene maximale Katalysatortemperatur und wCT ist ein der Beziehung zwischen der vorhergesagten Katalysatortemperatur und der vorgegebenen maximalen Temperatur des Katalysators zugeordneter Gewichtungswert. CTPI ist die vorhergesagte Katalysatortemperatur für die i-te der N Steuerschleifen, MaxCT ist die vorgegebene maximale Katalysatortemperatur und wCT ist ein der Beziehung zwischen der vorhergesagten Katalysatortemperatur und der vorgegebenen maximalen Temperatur des Katalysators zugeordneter Gewichtungswert. Da das Auswahlmodul 418 die eine der möglichen Sequenzen mit den geringsten Kosten wählen kann, kann das Auswahlmodul 418 die eine der möglichen Sequenzen wählen, die die vorbestimmte Sauerstoffkonzentration und die Referenz-Abgasenthalpie 416 am besten erreicht, während die Katalysatortemperatur maximiert und die Emissionskonzentration minimiert werden.
  • ρ ist ein Gewichtungswert, der der Erfüllung der Ausgabebeschränkungen 352 zugeordnet ist. ε ist eine Variable, die das Kostenmodul 414 auf der Grundlage dessen einstellen kann, ob die Ausgabebeschränkungen 352 erfüllt sind. Zum Beispiel kann das Kostenmodul 414 ε erhöhen, wenn ein vorgegebener Parameter (z. B. wenigstens um einen vorgegebenen Betrag) größer oder kleiner als der entsprechende Minimal- oder Maximalwert ist. Das Kostenmodul 414 kann ε auf Null einstellen, wenn alle Ausgangsbeschränkungen 352 erfüllt sind. ρ kann größer als der Gewichtungswert wEE sein, so dass die für eine mögliche Sequenz bestimmten Kosten groß sind, wenn eine oder mehrere der Ausgangsbeschränkungen 352 nicht erfüllt sind. Dies kann die Auswahl einer möglichen Sequenz verhindern, wenn eine oder mehrere der Ausgabebeschränkungen 352 nicht erfüllt sind.
  • Nun Bezug nehmend auf 5 beginnt ein beispielhaftes Verfahren zum Steuern des Drosselklappenventils 112, des Einlassnockenphasenstellers 148, des Auslassnockenphasenstellers 150, des Abgasladedruckregelventils 162 (und daher des Turboladers), des AGR-Ventils 170, der Zündzeiteinstellung, der Kraftstoffbeaufschlagung und der Anzahl von Zylindern, die eingeschaltet/abgeschaltet sind, unter Verwendung der MPC (Modellvorhersagesteuerung) bei 502. Bei 504 bestimmt das Vortriebsdrehmoment-Arbitrierungsmodul 214 die Vortriebsdrehmomentanforderung 222.
  • Bei 506 setzt das Drehmomentumsetzungsmodul 304 die Vortriebsdrehmomentanforderung 222 in die Basisdrehmomentanforderung 308 oder in irgendeinen anderen geeigneten Typ von Drehmoment zur Verwendung durch das MPC-Modul 312 um. Bei 508 bestimmt das Einstellpunktmodul 370 den Abgasenthalpieeinstellpunkt 342. Alternativ kann das MPC-Modul 406 die Ziel-Abgasenthalpie 404 bestimmen. Der Abgasenthalpieeinstellpunkt 342 und die Ziel-Abgasenthalpie 404 können jeweils als eine Soll-Abgasenthalpie bezeichnet werden.
  • Bei 510 bestimmt das Sequenzbestimmungsmodul 316 mögliche Sequenzen der Zielwerte 230-244. Bei 512 bestimmt das Vorhersagemodul 323 für jede der möglichen Sequenzen von Zielwerten die vorhergesagten Parameter. Das Vorhersagemodul 323 bestimmt die vorhergesagten Parameter für die möglichen Sequenzen auf der Grundlage des Modells 324 der Kraftmaschine 102, der exogenen Eingaben 328 und der Rückkopplungseingaben 330. Im Einzelnen erzeugt das Vorhersagemodul 323 unter Verwendung des Modells 324 auf der Grundlage einer möglichen Sequenz der Zielwerte 230-244, der exogenen Eingänge 328 und der Rückkopplungseingänge 330 eine Sequenz von N vorhergesagten Drehmomenten der Kraftmaschine 102 für die N Steuerschleifen, eine Sequenz von N vorhergesagten Kraftstoffwirkungsgradwerten für die N Steuerschleifen und eine Sequenz von N vorhergesagten NVH-Werten für die N Steuerschleifen.
  • Bei 514 bestimmt das Kostenmodul 332 jeweils die Kosten der möglichen Sequenzen. Beispielhaft kann das Kostenmodul 332 die Kosten (engl.: Cost) für eine mögliche Sequenz der Zielwerte 230-244 auf der Grundlage der Gleichung: C o s t = ∑ i = 1 N ρ ε 2 ‖ w T ∗ ( T P i − BT R i ) ‖ 2 + ‖ w F C ∗ ( F C P i − M i n FC ) ‖ 2 + ‖ w P E ∗ ( P E P i − MinPE ) ‖ 2 + ‖ w E E ∗ ( E E P i − EESP ) ‖ 2 ,
    Figure DE102015104194B4_0004
    vorbehaltlich der Aktorbeschränkungen 348 und der Ausgabebeschränkungen 352 bestimmen, wie es oben besprochen wurde.
  • Bei 516 wählt das Auswahlmodul 344 auf der Grundlage der Kosten der möglichen Sequenzen eine der möglichen Sequenzen der Zielwerte 230-244 aus. Zum Beispiel kann das Auswahlmodul 344 die eine der möglichen Sequenzen mit den niedrigsten Kosten auswählen. Das Auswahlmodul 344 kann daher die eine der möglichen Sequenzen wählen, die die Basisdrehmomentanforderung 308 und die Soll-Abgasenthalpie am besten erreicht, während gleichzeitig der Kraftstoffverbrauch und die Partikelemissionen minimiert werden. Anstelle oder zusätzlich zur Bestimmung möglicher Sequenzen der Zielwerte 230-244 bei 510 und zur Bestimmung der Kosten jeder der Sequenzen bei 514 kann das MPC-Modul 312 wie oben diskutiert eine Sequenz möglicher Zielwerte mit den niedrigsten Kosten unter Verwendung konvexer Optimierungstechniken identifizieren.
  • Bei 518 bestimmt das MPC-Modul 312, ob die ausgewählte eine der möglichen Sequenzen die Aktorbeschränkungen 348 erfüllt. Wenn die ausgewählte der möglichen Sequenzen die Aktorbeschränkungen 348 erfüllt, fährt das Verfahren mit 520 fort. Andernfalls fährt das Verfahren mit 522 fort, wo das MPC-Modul 312 die eine der möglichen Sequenzen mit dem nächst niedrigsten Kosten wählt. Das Verfahren kehrt dann zu 518 zurück. Auf diese Weise wird die Sequenz mit den niedrigsten Kosten, die die Aktorbeschränkungen 348 erfüllt, verwendet.
  • Bei 520 setzt das erste Umsetzungsmodul 248 die Ziel-Ladedruckregelventil-Öffnungsfläche 230 in den Ziel-Tastgrad 250 um, der an das Ladedruckregelventil 162 angelegt werden soll, setzt das zweite Umsetzungsmodul 252 die Ziel-Drosselöffnungsfläche 232 in den Ziel-Tastgrad 254 um, der an das Drosselventil 112 angelegt werden soll. Außerdem setzt das dritte Umsetzungsmodul 256 bei 428 die Ziel-AGR-Öffnungsfläche 234 in den Ziel-Tastgrad 258 um, der an das AGR-Ventil 170 angelegt werden soll. Außerdem kann das vierte Umsetzungsmodul den Ziel-Einlassnocken-Phasenstellerwinkel und den Ziel-Auslassnocken-Phasenstellerwinkel 236 und 238 in den Ziel-Einlasstastgrad und in den Ziel-Auslasstastgrad umsetzen, der an den Einlassnocken-Phasensteller bzw. an den Auslassnocken-Phasensteller 148 bzw. 150 angelegt werden soll.
  • Bei 524 steuert das Drosselaktormodul 116 das Drosselventil 112, um die Ziel-Drosselöffnungsfläche 232 zu erzielen, und steuert das Phasensteller-Aktormodul 158 den Einlassnocken-Phasensteller und den Auslassnocken-Phasensteller 148 und 150, um den Ziel-Einlassnocken-Phasenstellerwinkel und den Ziel-Auslassnocken-Phasenstellerwinkel 236 bzw. 238 zu erzielen. Zum Beispiel kann das Drosselaktormodul 116 ein Signal mit dem Ziel-Tastgrad 254 an das Drosselventil 112 anlegen, um die Ziel-Drosselöffnungsfläche 232 zu erzielen.
  • Außerdem steuert das AGR-Aktormodul 172 das AGR-Ventil 170 bei 524, um die Ziel-AGR-Öffnungsfläche 234 zu erzielen, und steuert das Ladedruckaktormodul 164 das Ladedruckregelventil 162, um die Ziel-Ladedruckregelventil-Öffnungsfläche 230 zu erzielen. Zum Beispiel kann das AGR-Aktormodul 172 ein Signal mit dem Ziel-Tastgrad 258 an das AGR-Ventil 170 anlegen, um die Ziel-AGR-Öffnungsfläche 234 zu erzielen, und kann das Ladedruckaktormodul 164 ein Signal mit dem Ziel-Tastgrad 250 an das Ladedruckregelventil 162 anlegen, um die Ziel-Ladedruckregelventil-Öffnungsfläche 230 zu erzielen. Außerdem steuert das Zündungsaktormodul 126 bei 524 die Zündzeiteinstellung auf der Grundlage der Ziel-Zündzeiteinstellung 240, das Zylinderaktormodul 120 steuert die Zylinderaktivierung und -deaktivierung auf der Grundlage der Ziel-Zylinderzahl 242, und das Kraftstoffaktormodul 124 steuert die Kraftstoffbeaufschlagung auf der Grundlage der Ziel-Kraftstoffbeaufschlagungsparameter 244. Bei 526 kann das Verfahren enden. Alternativ dazu kann 5 eine Steuerschleife veranschaulichen, und die Steuerschleifen können mit einer vorbestimmten Rate ausgeführt werden.
  • In dieser Anmeldung einschließlich in den folgenden Definitionen kann der Begriff Modul durch den Begriff Schaltung ersetzt sein. Der Begriff Modul kann sich auf eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC); auf eine digitale, analoge oder gemischt analog/digitale diskrete Schaltung; auf eine digitale, analoge oder gemischt analog/digitale integrierte Schaltung; auf eine Kombinationslogikschaltung; auf eine feldprogrammierbare logische Anordnung (FPGA); auf einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe), der Code ausführt; auf Speicher (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe), der durch einen Prozessor ausgeführten Code speichert; auf andere geeignete Hardwarekomponenten, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen; oder auf eine Kombination einiger oder aller der Obigen wie etwa in einem System-on-Chip beziehen, ein Teil davon sein oder sie enthalten.
  • Der Begriff Code, wie er oben verwendet ist, kann Software, Firmware und/oder Mikrocode enthalten und kann sich auf Programme, Routinen, Funktionen, Klassen und/oder Objekte beziehen. Der Begriff gemeinsam genutzter Prozessor umfasst einen einzelnen Prozessor, der einen Teil des Codes oder allen Code von mehreren Modulen ausführt. Der Begriff Gruppenprozessor umfasst einen Prozessor, der einen Teil oder allen Code von einem oder von mehreren Modulen zusammen mit zusätzlichen Prozessoren ausführt. Der Begriff gemeinsam genutzter Speicher umfasst einen einzelnen Speicher, der einen Teil oder allen Code von mehreren Modulen speichert. Der Begriff Gruppenspeicher umfasst einen Speicher, der einen Teil oder allen Code von einem oder von mehreren Modulen zusammen mit zusätzlichen Speichern speichert. Der Begriff Speicher kann eine Teilmenge des Begriffs computerlesbares Medium sein. Der Begriff computerlesbares Medium umfasst keine vorübergehenden elektrischen und elektromagnetischen Signale, die sich durch ein Medium ausbreiten, und kann somit als konkret und nichtflüchtig angesehen werden. Nichteinschränkende Beispiele eines nicht vorübergehenden konkreten computerlesbaren Mediums enthalten nichtflüchtigen Speicher, flüchtigen Speicher, eine magnetische Ablage und eine optische Ablage.
  • Die in dieser Anmeldung beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren können teilweise oder vollständig durch eines oder mehrere Computerprogramme implementiert werden, die durch einen oder mehrere Prozessoren ausgeführt werden. Die Computerprogramme enthalten durch einen Prozessor ausführbare Anweisungen, die in wenigstens einem nichtflüchtigen konkreten computerlesbaren Medium gespeichert sind. Die Computerprogramme können außerdem gespeicherte Daten enthalten und/oder sich auf sie stützen.

Claims (10)

  1. Verfahren, umfassend: Erzeugen vorhergesagter Parameter basierend auf einem Modell einer Kraftmaschine (102) und einem Satz möglicher Zielwerte; Erzeugen von Kosten für den Satz möglicher Zielwerte basierend auf den vorhergesagten Parametern und einer Soll-Abgasenthalpie; Auswählen des Satzes möglicher Zielwerte aus mehreren Sätzen möglicher Zielwerte basierend auf den Kosten; und Einstellen eines Aktors der Kraftmaschine (102) basierend auf zumindest einem der Zielwerte.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die vorhergesagten Parameter eine vorhergesagte Abgasenthalpie umfassen, wobei das Verfahren ferner umfasst, dass die Kosten basierend auf einer Differenz zwischen der Soll-Abgasenthalpie und der vorhergesagten Abgasenthalpie bestimmt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Kosten zunehmen, wenn die Differenz zwischen der Soll-Abgasenthalpie und der vorhergesagten Abgasenthalpie zunimmt.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, ferner umfassend, dass der eine der Sätze möglicher Zielwerte, der die geringsten Kosten aufweist, gewählt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass die Soll-Abgasenthalpie basierend auf zumindest einem aus einer Temperatur eines Katalysators (136) in einem Abgassystem (134) der Kraftmaschine (102), einer Sauerstoffkonzentration in dem Katalysator (136) und einer Emissionskonzentration in dem Abgassystem (134) stromabwärts von dem Katalysator (136) erzeugt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, ferner umfassend, dass die Soll-Abgasenthalpie eingestellt wird, um eine Katalysatoranspringperiode zu minimieren, die beginnt, wenn die Kraftmaschine (102) gestartet wird, und endet, wenn die Katalysatortemperatur gleich einer Anspringtemperatur ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, ferner mit einem Einstellen der Soll-Abgasenthalpie, um eine Menge an Emissionen in dem Abgas, das von der Kraftmaschine (102) während der Katalysatoranspringperiode erzeugt wird, zu minimieren.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Schätzen einer vorliegenden Abgasenthalpie basierend auf einem Massendurchfluss von Abgas, das von der Kraftmaschine (102) erzeugt wird, einer Temperatur des Abgases und einer chemischen Zusammensetzung des Abgases; und Erzeugen der vorhergesagten Parameter basierend auf der vorliegenden Abgasenthalpie.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Erzeugen vorhergesagter Zustände eines Katalysators (136) in einem Abgassystem (134) der Kraftmaschine (102) basierend auf einem Modell des Katalysators (136) und einer möglichen Ziel-Abgasenthalpie; Erzeugen von Kosten für jede der möglichen Ziel-Abgasenthalpien basierend auf den vorhergesagten Katalysatorzuständen; und Auswählen der möglichen Ziel-Abgasenthalpien basierend auf den Kosten, die jeder der möglichen Ziel-Abgasenthalpien zugeordnet sind.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die vorhergesagten Katalysatorzustände eine vorhergesagte Temperatur des Katalysators (136), eine vorhergesagte Sauerstoffkonzentration in dem Katalysator (136) und eine vorhergesagte Emissionskonzentration in dem Abgassystem (134) stromabwärts des Katalysators (136) umfassen.
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