DE102015108381A1

DE102015108381A1 - Mehrgrößenregelung für Niederdruck-Abgasrückführung

Info

Publication number: DE102015108381A1
Application number: DE102015108381.7A
Authority: DE
Inventors: Thomas Alan Brewbaker; Michiel J. Van Nieuwstadt
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2014-06-06
Filing date: 2015-05-27
Publication date: 2015-12-10
Also published as: US20150354483A1; CN105275637B; US9341127B2; RU2015121373A3; RU2015121373A; CN105275637A; RU2680454C2

Abstract

Es werden Verfahren und Systeme zum Einstellen eines ND-AGR-Ventils und einer ND-Ansaugdrossel bereitgestellt, um eine gewünschte ND-AGR-Durchflussmenge zu gewährleisten, während ein minimaler Differenzdruck aufrechterhalten wird. Bei einem Beispiel umfasst ein Verfahren für einen Motor mit Turboaufladung Folgendes: als Reaktion auf eine Differenz zwischen Ansaug- und Abgasdruck unterhalb eines Schwellenwertes das Einstellen eines ND-AGR-Ventils, während eine ND-Ansaugdrossel eingestellt wird, um eine ND-AGR-Durchflussmenge und die Differenz auf jeweilige Sollwerte zu regulieren, und als Reaktion auf die Differenz oberhalb des Schwellenwertes das Sättigen des ND-AGR-Ventils, um die Differenz zu minimieren, während die Drossel betätigt wird, um die Durchflussmenge auf ihren Sollwert zu regulieren. Auf diese Weise kann die Regelung der ND-AGR-Anlage robuster gegenüber Störungen bei sehr niedrigen Differenzdrücken sein, weniger Stellgliedbewegung erfordern und die Kraftstoffwirtschaftlichkeit steigern.

Description

Allgemeiner Stand der Technik und Kurzdarstellung
Motorsysteme können die Rückführung von Abgas aus einer Motor-Abgasanlage zu einer Motor-Ansauganlage, einen Vorgang, der als Abgasrückführung (AGR) bezeichnet wird, benutzen, um regulierte Emissionen zu verringern. Zum Beispiel kann ein Motorsystem mit Turboaufladung eine Niederdruck-(ND-)AGR-Anlage einschließen, die Abgas aus der Abgasanlage zu dem Ansaugdurchgang stromaufwärts von einem Turbolader-Verdichter zurückführt. Dementsprechend kann Abgas in eine Niederdruck-Lufteinleitungsanlage stromaufwärts von dem Verdichter zurückgeführt werden, was zu einem verdichteten Gemisch aus frischer Ansaugluft und AGR stromabwärts von dem Verdichter führt. Ein AGR-Ventil kann so gesteuert werden, dass eine gewünschte Ansaugluftverdünnung erreicht wird, wobei die gewünschte Ansaugluftverdünnung auf den Motorbetriebsbedingungen beruht.
Jedoch können, auf Grund der kleinen Differenzdrücke, die ND-AGR-Kreisen eigen sind, Motorsysteme mit Turboaufladung ebenfalls eine ND-Ansaugdrossel einschließen, um den Differenzdruck derart zu steigern, dass höhere AGR-Raten erreicht werden können. Es gibt konkurrierende Anforderungen, die den Grad der Drosselung einschränken. Einerseits steigert eine übermäßige Drosselung unnötigerweise den Kraftstoffverbrauch. Andererseits kann zu wenig Drosselung dazu führen, dass das System bei besonders niedrigen Differenzdrücken arbeitet, was hohe Regelungsverstärkungen notwendig macht und dadurch die Robustheit des Regelsystems gegenüber Störungen verringert.
Die Erfinder hierin haben das obige Problem erkannt und haben verschiedene Herangehensweise erdacht, um ihm zu begegnen. Im Einzelnen werden Systeme und Verfahren zum Steuern einer ND-Ansaugdrossel und eines ND-AGR-Ventils offenbart. Bei einem Beispiel umfasst ein Verfahren für einen Motor mit Turboaufladung Folgendes: als Reaktion auf eine Differenz zwischen Ansaug- und Abgasdruck unterhalb eines Schwellenwertes das Einstellen eines ND-AGR-Ventils, während eine ND-Ansaugdrossel eingestellt wird, um eine ND-AGR-Durchflussmenge und die Differenz auf jeweilige Sollwerte zu regulieren, und als Reaktion auf die Differenz oberhalb des Schwellenwertes das Sättigen des ND-AGR-Ventils, um die Differenz zu minimieren, während die Drossel betätigt wird, um die Durchflussmenge auf ihren Sollwert zu regulieren. Auf diese Weise kann die Regelung der ND-AGR-Anlage robuster sein, weniger Stellgliedbewegung erfordern und die Kraftstoffwirtschaftlichkeit steigern.
Bei einem anderen Beispiel umfasst ein Verfahren für einen Motor mit Turboaufladung Folgendes: als Reaktion auf eine Differenz zwischen Ansaug- und Abgasdruck unterhalb eines Schwellenwertes das Einstellen eines ND-AGR-Ventils, während eine ND-Ansaugdrossel eingestellt wird, um eine ND-AGR-Durchflussmenge und die Differenz jeweils auf einen Durchfluss-Sollwert beziehungsweise einen Differenzsollwert zu regulieren, und als Reaktion auf die Differenz oberhalb des Schwellenwertes in einem ersten Modus das Sättigen des ND-AGR-Ventils, um die Differenz zu minimieren, während die Drossel betätigt wird, um die Durchflussmenge auf den Durchfluss-Sollwert zu regulieren, und in einem zweiten Modus das Sättigen der Drossel, um die Differenz zu minimieren, während das ND-AGR-Ventil betätigt wird, um die Durchflussmenge auf den Durchfluss-Sollwert zu regulieren. Auf diese Weise kann die Regelungsanlage robuster gegenüber Störungen bei sehr niedrigen Differenzdrücken sein, und der Kraftstoffverbrauch auf Grund von übermäßiger Drosselung kann vermindert werden.
Bei einem anderen Beispiel umfasst ein Verbrennungskraftmaschinensystem Folgendes: einen Turbolader, der einen mit einer Turbine verbundenen Verdichter einschließt, wobei der Verdichter in Verbindung mit einem Ansaugkrümmer des Motors steht und die Turbine in Verbindung mit einem Abgaskrümmer des Motors steht, einen Niederdruck-(ND) Abgasrückführungs-(AGR-)Durchgang, der ein AGR-Ventil und eine Ansaugdrossel, die den Ansaugkrümmer und den Abgaskrümmer verbindet, einschließt, wobei das AGR-Ventil auf ein AGR-Ventilsteuersignal anspricht und die Ansaugdrossel auf ein Ansaugdrosselsteuersignal anspricht, um eine Durchflussmenge in den Ansaugkrümmer und einen Differenzdruck in dem ND-AGR-Durchgang zu regulieren, einen Regler, der mit in nicht-flüchtigem Speicher gespeicherten Anweisungen konfiguriert ist, die, wenn sie ausgeführt werden, den Regler zu Folgendem veranlassen: auf der Grundlage einer Bezugsdurchflussmenge und einer gemessenen Durchflussmenge einen Durchflussmengenfehler zu erzeugen, auf der Grundlage eines Bezugsdifferenzdrucks und eines gemessenen Differenzdrucks einen Differenzdruckfehler zu erzeugen, eine minimale und eine maximale erreichbare Durchflussmenge zu berechnen, die minimale und die maximale erreichbare Durchflussmenge als Anti-Windup-Grenzen auf einen ersten Proportional-Integral-Regler anzuwenden, den ersten Proportional-Integral-Regler auszuführen, um als Reaktion auf den Durchflussmengenfehler einen angepassten Durchflussmengen-Sollwert zu erzeugen, als Reaktion auf den angepassten Durchflussmengen-Sollwert einen minimalen und einen maximalen erreichbaren Differenzdruck zu berechnen, den minimalen und den maximalen erreichbare Differenzdruck als Anti-Windup-Grenzen auf einen zweiten Proportional-Integral-Regler anzuwenden, den zweiten Proportional-Integral-Regler auszuführen, um als Reaktion auf den Differenzdruckfehler einen angepassten Differenzdruck-Sollwert zu erzeugen, einen Linearisierungsregler auszuführen, um als Reaktion auf den angepassten Durchflussmengen-Sollwert und den angepassten Differenzdruck-Sollwert eine AGR-Ventil-Stellgliedposition und eine ND-Ansaugdrossel-Stellgliedposition zu erzeugen, und das AGR-Ventil auf die AGR-Ventil-Stellgliedposition und die ND-Ansaugdrossel auf die ND-Ansaugdrossel-Stellgliedposition zu steuern. Auf diese Weise kann die Steuerung des ND-AGR-Ventils und der ND-Ansaugdrossel automatisch zwischen einem Mehrgrößenregelungsmodus, der die Robustheit bei sehr niedrigen Differenzdrücken steigert, und einem Regelungsmodus mit verketteten Stellgliedern, der den Kraftstoffverbrauch minimiert, umschalten.
Die obigen Vorteile und andere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Beschreibung werden leicht offensichtlich werden aus der folgenden Ausführlichen Beschreibung, wenn sie allein oder in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet wird.
Es sollte sich verstehen, dass die Kurzdarstellung oben bereitgestellt wird, um in vereinfachter Form eine Auswahl von Konzepten, die in der ausführlichen Beschreibung weiter beschrieben werden, einzuführen. Sie ist nicht dazu bestimmt, Schlüssel- oder Wesensmerkmale des beanspruchten Gegenstandes zu identifizieren, dessen Rahmen durch die Ansprüche definiert wird, die der ausführlichen Beschreibung folgen. Ferner ist der beanspruchte Gegenstand nicht auf Umsetzungen, welche irgendwelche oben oder in irgendeinem Teil dieser Offenbarung angegebene Nachteile lösen, begrenzt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische Abbildung eines Motors und einer angeschlossenen Abgasrückführungsanlage.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm höherer Ebene, das eine Routine illustriert, die zum Ausführen von ND-AGR-Ventil- und ND-Drosseleinstellungen als Reaktion auf die Ausgabe eines Differenzdrucksensors umgesetzt werden kann.
3 zeigt ein Blockdiagramm, das eine beispielhafte Herangehensweise für die ND-AGR-Regelung illustriert.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm höherer Ebene, das eine Routine illustriert, die zum Ausführen von ND-AGR-Ventil- und ND-Drosseleinstellungen als Reaktion auf einen ND-AGR-Durchflussmengensollwert umgesetzt werden kann.
5 zeigt einen Satz von graphischen Darstellungen, der eine Begrenzungsstrategie für vier verschiedene Fälle einer Einzelstellgliedsättigung illustriert.
6 zeigt einen Satz von graphischen Darstellungen, der einen Satz von erreichbaren ND-AGR-Ventilstellungen und Drosselstellungen und einen entsprechenden Satz von erreichbaren ND-AGR-Durchflussmengen und Differenzdrücken illustriert.
7 zeigt einen Satz von graphischen Darstellungen, der eine Demonstration eines ND-AGR-Reglers, der als ein Mehrgrößenregler fungiert, illustriert.
8 zeigt einen Satz von graphischen Darstellungen, der eine Demonstration eines ND-AGR-Reglers, der als ein Regler mit verketteten Stellgliedern fungiert, illustriert.
Ausführliche Beschreibung
Die vorliegende Beschreibung betrifft ein System und ein Verfahren zum Regeln von Niederdruck-Abgasrückführungsmengendurchfluss und Differenzdruck unter Verwendung eines Niederdruck-Abgasrückführungsventils und einer Niederdruckdrossel. Wie in 1 gezeigt, kann ein aufgeladener Motor mit einer Niederdruck-(ND-) Abgasrückführungs-(AGR-)Anlage konfiguriert sein, die ein ND-AGR-Ventil zum Einstellen einer Menge des zur Motoransaugung zurückgeführten Abgases sowie eine ND-Ansaugdrossel zum Einstellen des Differenzdrucks über das ND-AGR-Ventil einschließen kann. Wie in 2 gezeigt, kann die Steuerung des ND-AGR-Ventils und der ND-Ansaugdrossel in Abhängigkeit von dem Differenzdruck über das ND-AGR-Ventil einen Mehrgrößenmodus und einen Modus mit verkettetem Stellglied einschließen. Wie in 3 gezeigt, kann ein Regler, der zwei solche Regelungsmodi ermöglicht, zusätzlich zu zwei äußeren Proportional-Integral-(PI-)Regelkreisen einen durch Ein-/Ausgabe-Linearisierung ausgelegten Regler einschließen. Eine Begrenzungsstrategie für die PI-Regler kann, wie in 4 gezeigt, das Verwenden der minimalen und maximalen erreichbaren AGR-Durchflussmengen und Differenzdrücke als Anti-Windup-Grenzen einschließen. Diese Begrenzungsstrategie stellt sicher, dass, wie in 5 gezeigt, falls ein Stellglied gesättigt wird, das ungesättigte Stellglied das Nachführen der AGR-Durchflussmenge gegenüber dem Differenzdruck priorisieren wird. Die minimalen und maximalen erreichbaren Durchflussmengen und Differenzdrücke werden, wie in 6 gezeigt, durch die Stellfähigkeit des Systems eingeschränkt. Eine Demonstration, dass System und die Verfahren, die offenbart werden, einen Mehrgrößenmodus und einen Modus mit verkettetem Stellglied aufweisen, wird in 7 und 8 gezeigt.
1 zeigt eine schematische Abbildung eines Fahrzeugsystems 6. Das Fahrzeugsystem 6 schließt ein Motorsystem 8 ein, das einen an eine Emissionsregelungsanlage 22 angeschlossenen Motor 10 einschließt. Der Motor 10 schließt mehrere Zylinder 30 ein. Der Motor 10 schließt ebenfalls eine Ansaugung 23 und einen Auspuff 25 ein. Die Ansaugung 23 kann durch einen Ansaugdurchgang 42 frische Luft aus der Atmosphäre aufnehmen. Der Ansaugdurchgang 42 kann eine erste Luftansaugdrossel 82 einschließen, die dafür konfiguriert ist, die Menge an frischer Luft, die durch den Ansaugdurchgang 42 aufgenommen wird. Die Ansaugung 23 kann ferner eine zweite Hauptansaugdrossel 62 einschließen, die über den Ansaugdurchgang 42 fluidmäßig an den Motor-Ansaugkrümmer 44 angeschlossen ist. Die zweite Hauptansaugdrossel 62 kann stromabwärts von der ersten Luftansaugdrossel 82 angeordnet sein und kann dafür konfiguriert sein, den Durchfluss eines Ansauggasstroms, der in den Motor-Ansaugkrümmer 44 eintritt, einzustellen. Der Auspuff 25 schließt einen Abgaskrümmer 48 ein, der zu einem Abgasdurchgang 45 führt, der über ein Endrohr 35 Abgas zur Atmosphäre leitet.
Der Motor 10 kann ein aufgeladener Motor sein, der eine Aufladungsvorrichtung, wie beispielsweise einen Turbolader 50, einschließt. Der Turbolader 50 kann einen Verdichter 52, der entlang des Ansaugdurchgangs 42 angeordnet ist, und eine Turbine 54, die entlang des Abgasdurchgangs 45 angeordnet ist, einschließen. Das Ausmaß der durch den Turbolader bereitgestellten Aufladung kann durch ein Motorsteuergerät verändert werden. Ein wahlweiser Ladungsnachkühler 84 kann stromabwärts von dem Verdichter 52 in dem Ansaugdurchgang bereitgestellt werden, um die Temperatur der durch den Turbolader verdichteten Ansauglust zu verringern. Im Einzelnen kann der Nachkühler 84 stromabwärts von der ersten Ansaugdrossel 82 und stromaufwärts von der zweiten Ansaugdrossel 62 eingeschlossen sein.
Die Emissionsregelungsanlage 22, die an den Abgasdurchgang 45 angeschlossen ist, kann eine oder mehrere Emissionsregelungsvorrichtungen 70, die in einer eng gekoppelten Position in dem Auspuff angebracht sind, einschließen. Eine oder mehrere Emissionsregelungsvorrichtungen können einen Partikelfilter, einen SCR-Katalysator, einen Dreiwegekatalysator, einen NO_x-Speicherkatalysator, einen Oxidationskatalysator usw. einschließen. Die Emissionsregelungsvorrichtungen können stromabwärts von der Turbine 54 und stromaufwärts und/oder stromabwärts von einer ND-AGR-Bahn 73 im Abgasdurchgang 45 angeordnet sein.
Der Motor 10 kann ferner einen oder mehrere Abgasrückführungs-(AGR-)Durchgänge zum Zurückführen wenigstens eines Teils des Abgases von dem Abgasdurchgang 45 zu dem Ansaugdurchgang 42 einschließen. Zum Beispiel kann der Motor eine Niederdruck-AGR-(ND-AGR-)Anlage 72 mit einem ND-AGR-Durchgang 73, der den Motorauslass, stromabwärts von der Turbine 54, mit der Motoransaugung, stromaufwärts von dem Verdichter 52, koppelt. Die ND-AGR-Anlage 72 kann während Bedingungen, wie beispielsweise beim Vorhandensein von Turboladeraufladung und/oder wenn die Abgastemperatur oberhalb eines Schwellenwertes liegt, betrieben werden. Ein AGR-Ventil 39, das in dem ND-AGR-Durchgang 73 stromaufwärts von dem Verdichter angeordnet ist, kann dafür konfiguriert sein, eine Menge und/oder eine Rate des durch den AGR-Durchgang abgeleiteten Abgases einzustellen. Der ND-AGR-Durchgang 73 kann ferner einen ND-AGR-Kühler 74 einschließen, um die Temperatur des Abgases zu senken, das in die Motoransaugung zurückgeführt wird. In dieser Konfiguration kann der AGR-Durchgang dafür konfiguriert sein, Niederdruck-AGR bereitzustellen, und das AGR-Ventil 39 kann ein ND-AGR-Ventil sein. Ferner kann das erste Einlassventil 82 als eine Niederdruck-(ND-)Ansaugdrossel bezeichnet werden. Bei alternativen Ausführungsformen kann eine Hochdruck-AGR-(HD-AGR-)Anlage (nicht gezeigt) ebenfalls eingeschlossen sein, wobei ein HD-AGR-Durchgang dafür konfiguriert sein kann, wenigstens etwas Abgas von dem Motorauslass, stromaufwärts von der Turbine, zu der Motoransaugung, stromabwärts von dem Verdichter, abzuleiten.
Bei einigen Ausführungsformen können ein oder mehrere Sensoren innerhalb des ND-AGR-Durchgangs 73 angeordnet sein, um eine Anzeige von einem oder mehreren von einem Druck, einer Temperatur und einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis des durch den ND-AGR-Durchgang zurückgeführten Abgases bereitzustellen. Zum Beispiel können Sensoren 75 und 76 Drucksensoren sein, die stromaufwärts und stromabwärts von dem ND-AGR-Ventil 39 angeordnet sind. Das durch den ND-AGR-Durchgang 73 abgeleitete Abgas kann an einem Mischpunkt 90, der an der Verbindung des ND-AGR-Durchgangs 73 und des Ansaugdurchgang 42 angeordnet ist, mit frischer Luft verdünnt werden. Im Einzelnen kann, durch das Einstellen des AGR-Ventils 39 in Abstimmung mit der ND-Ansaugdrossel 82 (die in dem Luftansaugdurchgang der Motoransaugung, stromaufwärts von dem Verdichter, angeordnet ist) eine Verdünnung des AGR-Stroms eingestellt werden.
Der Motor 10 kann wenigstens teilweise durch ein Steuerungssystem 14, das ein Steuergerät 12 einschließt, und durch Eingabe von einem Fahrzeugführer über ein Eingabegerät (nicht gezeigt) gesteuert werden. Das Steuerungssystem 14 ist dafür konfiguriert, Informationen von mehreren Sensoren 16 (von denen verschiedene Beispiele hierin beschrieben werden) zu empfangen und Steuersignale an mehrere Stellglieder 81 zu senden. Als ein Beispiel können die Sensoren 16 einen Abgassensor 126, der an den Abgaskrümmer 48 angeschlossen ist, einen Abgas-Temperatursensor 128 und einen Abgas-Drucksensor 129, die stromabwärts von der Emissionsregelungsvorrichtung 70 im Auspuffendrohr 35 angeordnet sind, einen Sauerstoffsensor 92, der stromaufwärts von der Hautansaugdrossel 62 angeschlossen ist, und verschiedene Sensoren in dem ND-AGR-Durchgang 73, wie beispielsweise die stromaufwärts und stromabwärts von dem ND-AGR-Ventil 39 angeordneten Drucksensoren 75 und 76 und einen AGR-Durchflussmengensensor 77, einschließen. Verschiedene Abgassensoren, wie beispielsweise Partikel-(particulate matter – PM-)Sensoren, NO_x-Sensoren, Sauerstoffsensoren, Ammoniaksensoren, Kohlenwasserstoffsensoren usw., können ebenfalls in dem Abgasdurchgang 45 stromabwärts von der Emissionsregelungsvorrichtung 70 eingeschlossen sein. Andere Sensoren, wie beispielsweise zusätzliche Druck-, Temperatur-, Luft-Kraftstoff-Verhältnis- und Zusammensetzungssensoren, können an verschiedene Positionen in dem Fahrzeugsystem 6 angeschlossen sein. Als ein anderes Beispiel können die Stellglieder 81 die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 66, das AGR-Ventil 39, die ND-Ansaugdrossel 82 und die Hauptansaugdrossel 62 einschließen. Andere Stellglieder, wie beispielsweise eine Vielzahl von zusätzlichen Ventilen und Drosseln, kann an verschiedene Positionen in dem Fahrzeugsystem 6 angeschlossen sei. Das Steuergerät 12 kann Eingangsdaten von den verschiedenen Sensoren empfangen, die Eingangsdaten verarbeiten und die Stellglieder als Reaktion auf die verarbeiteten Eingangsdaten auf der Grundlage von Anweisung oder Code, die in demselben programmiert sind, entsprechend einer oder mehreren Routinen auslösen. Zum Beispiel kann das Steuergerät 12 dafür konfiguriert sein, einen Differenzdruck über das ND-AGR-Ventil 39 zu berechnen, durch das Berechnen der Differenz zwischen den von dem Drucksensor 76 und dem Drucksensor 75 empfangenen Eingangsdaten. Eine beispielhafte Steuerungsroutine wird hierin unter Bezugnahme auf 2 beschrieben.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm höherer Ebene für ein beispielhaftes Verfahren 200 zum Steuern einer ND-AGR-Anlage nach der vorliegenden Offenbarung. Im Einzelnen betrifft das Verfahren 200 die Verwendung zweier unterschiedlicher Strategien als Reaktion auf einen Differenzdruck über das ND-AGR-Ventil 39. Das Verfahren 200 wird hierin unter Bezugnahme auf die in 1 abgebildeten Bauteile und Systeme beschrieben werden, obwohl es sich verstehen sollte, dass das Verfahren auf andere Systeme angewendet werden kann, ohne vom Rahmen dieser Offenbarung abzuweichen. Das Verfahren 200 kann durch das Steuergerät 12 ausgeführt werden und kann als ausführbare Anweisungen in einem nicht-flüchtigen Speicher gespeichert sein.
Das Verfahren 200 kann bei 205 beginnen. Bei 205 kann das Verfahren 200 das Einschätzen von Betriebsbedingungen einschließen. Die Betriebsbedingungen können den ND-AGR-Differenzdruck, die ND-AGR-Durchflussmenge, die ND-AGR-Ventilstellung, die ND-Ansaugdrosselstellung usw. einschließen, sind aber nicht darauf begrenzt. Das Einschätzen von Betriebsbedingungen kann das Empfangen von Eingangsdaten von verschiedenen Sensoren und das Durchführen einer Berechnung unter Verwendung der Eingangsdaten umfassen. Zum Beispiel kann der ND-AGR-Differenzdruck über das ND-AGR-Ventil 39 berechnet werden durch das Berechnen der Differenz zwischen den Druckdaten von den Drucksensoren 75 und 76. Beim Nichtvorhandensein der Drucksensoren 75 und 76 kann der ND-AGR-Differenzdruck aus einer Vorverdichtermessgerät-Druckmessung annähernd bestimmt werden, z. B. Δp_lpEgrMeas ≈ p_amb – p_cmprUs, was den kleineren Druckabfall über das Auspuffendohr vernachlässigt.
Bei 210 fortsetzend, wird der Differenzdruck Δp_lpEgrMeas über das ND-AGR-Ventil 39 mit einem ND-AGR-Differenzdrucksollwert Δp_setpoint verglichen. Der ND-AGR-Differenzdrucksollwert Δp_setpoint kann auf einen niedrigen, aber von null verschiedenen Differenzdruck, zum Beispiel 5 Hektopascal (hPa), festgesetzt werden. Falls der Differenzdruck Δp_lpEgrMeas größer ist als der Differenzsollwert Δp_setpoint, kann das Verfahren 200 fortschreiten zu 215. Bei 215 kann das Steuergerät 12 als ein Regler mit verketteten Stellgliedern agieren. Das Steuergerät 12 schließt die ND-Ansaugdrossel 82, um den Differenzdruck zu minimieren, und stellt danach das ND-AGR-Ventil 39 ein, um die ND-AGR-Durchflussmenge auf einen ND-AGR-Durchflussmengensollwert W_lpEgr zu regulieren. Diese Regelungsstrategie minimiert den Kraftstoffverbrauch auf Grund der ND-AGR-Pumparbeit. Danach kann das Verfahren 200 enden. Anderenfalls, falls der Differenzdruck Δp_lpEgrMeas geringer ist als der Differenzsollwert Δp_setpoint, kann das Verfahren 200 fortschreiten zu 220.
Bei 220 kann das Verfahren 200 als ein Mehrgrößenregler agieren. Das Steuergerät 12 stellt gleichzeitig das ND-AGR-Ventil 39 und die ND-Ansaugdrossel 82 ein, um die ND-AGR-Durchflussmenge W_lpEgr und den Differenzdruck Δp_lpEgrMeas auf ihre jeweiligen Sollwerte zu regeln. Diese Regelungsstrategie ermöglicht, dass das System große Regelungsverstärkungen und eine verringerte Steuerungssystem-Robustheit, die bei sehr niedrigen Differenzdrücken auftreten, vermeidet. Danach kann das Verfahren 200 enden.
Das Regelungsverfahren 200 verwendet folglich zwei Regelungsstrategien als Reaktion auf den Differenzdruck in Bezug auf den Differenzdrucksollwert. Unter Verwendung des Verfahrens 200 kann das Steuergerät 12 automatisch umschalten zwischen dem Funktionieren als ein Regler mit verketteten Stellgliedern und ein Mehrgrößenregler, jeweils mit eigenen Vorteilen. Eine beispielhafte Herangehensweise zum Umsetzen des Verfahrens 200 wird hierin in Bezug auf 3 und 4 offenbart.
3 zeigt eine beispielhafte Herangehensweise 300 für die ND-AGR-Regelung. Die beispielhafte Herangehensweise 300 ist mit einer Ein-/Ausgabe-Linearisierung und einer Proportional-Integral-Regelung ausgelegt. Die beispielhafte Herangehensweise 300 schließt eine stationäre virtuelle Regelstrecke 320 und zwei äußere Kreise mit PI-Reglern 312 und 314 ein.
Ein Bezugssignal r₁ = W_lpEgrDes 305 stellt eine gewünschte ND-AGR-Bezugsdurchflussmenge dar, während ein Bezugssignal r₂ = Δp_lpEgrDes 307 einen gewünschten ND-AGR-Bezugsdifferenzdruck darstellt. Ein Rückführsignal y₁ = W_lpEgrMeas 341 stellt die gemessene ND-AGR-Durchflussmenge dar, während ein Rückführsignal y₂ = Δp_lpEgrMeas 343 den gemessenen ND-AGR-Differenzdruck darstellt. Eine Zusammenführung 306 berechnet die Differenz zwischen dem Bezugssignal 305 und dem Rückführsignal 341; diese Differenz ist der mit der ND-AGR-Durchflussmenge verknüpfte Fehler. Eine Zusammenführung 308 berechnet die Differenz zwischen dem Bezugssignal 307 und dem Rückführsignal 343; diese Differenz ist der mit dem ND-AGR-Differenzdruck verknüpfte Fehler.
Die beispielhafte Herangehensweise 300 kann einen Außenkreis-PI-Regler 312 und einen Außenkreis-PI-Regler 314 einschließen. Der Außenkreis-PI-Regler 312 erzeugt eine eingestellte Eingabe v₁ = W_lpEgrDes, die einen Proportionalverstärkungsausdruck und einen Integralverstärkungsausdruck für den bei der Zusammenführung 306 berechneten Fehler r₁ – y₁ einschließt. Der Außenkreis-PI-Regler 314 erzeugt ähnlich eine eingestellte Eingabe v₂ = Δp_lpEgrDes, die einen Proportionalverstärkungsausdruck und einen Integralverstärkungsausdruck für den bei der Zusammenführung 308 berechneten Fehler r₂ – y₂ einschließt. Die Außenkreis-PI-Regler 312 und 314 gewährleisten einen stationären Nachführfehler von null und verbessern die Robustheit gegenüber Modellierungsfehlern in einem inversen Regelstreckenmodell Ψ(v, w), das im Folgenden hierin erörtert wird. Die PI-Regler 312 und 314 können so geeicht werden, dass sie eine Regelungszeitkonstante von ungefähr 150 bis 200 ms für beide Kreise ergeben.
Die virtuelle Regelstrecke 320 weist einen Regler 324 und ein Regelstreckenmodell 327 auf. Der Regler 324 verwendet die Eingaben v₁ und v₂, welche die gewünschte ND-AGR-Durchflussmenge und den ND-AGR-Druck darstellen, um die passende ND-AGR-Ventilstellung u₁ = θ_lpEgrVlvDes und die ND-Ansaugdrosselstellung u₂ = θ_lpIntThrDes zu bestimmen. Das Regelstreckenmodell 327 stellt die physische ND-AGR-Anlage dar und beruht daher auf Öffnungsgleichungen mit nicht-zusammendrückbarer Strömung für die ND-Ansaugdrossel, die ND-AGR-Bahn und das Endrohr, und die zugehörige Dynamik wird Sensoren und Stellgliedern zugerechnet. Die Dynamik der Regelstrecke 327 ist nicht-linear und mehrfach veränderlich:
und also muss ein passendes Regelgesetz Ψ(x, v, w) ausgewählt werden, um die Regelstrecke zu linearisieren und zu entkoppeln. Jedoch ist die Regelstreckendynamik, mit Zeitkonstanten von ungefähr 50 ms oder weniger, schnell im Verhältnis zu der Zeitskala der äußeren Kreise. Daher erlaubt die Beschaffenheit der Regelstrecke mit hoher Bandbreite eine Annahme, dass sich die Regelstrecke immer im Beharrungszustand befindet, wodurch eine virtuelle Rückführung x, wie durch die virtuelle Regelstrecke 320 gezeigt, beseitigt wird. Mit dieser Annahme wird eine Ein-/Ausgabe-Linearisierung der virtuellen Regelstrecke 320 auf das Finden einer algebraischen Inversion des nicht-linearen Mehrgrößen-Regelstreckenmodells. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist ein Regler 324, der eine eindeutige Lösung darstellt, gegeben durch:
wobei A_tp die Endrohrfläche ist, α_lpEgr die Übertragungsfunktion von Stellgliedposition zu Fläche, welche die wirksame Fläche der ND-AGR-Bahn A_lpEgr (einschließlich des ND-AGR-Durchgangs 73, des Ventils 39 und des Kühlers 74) ergibt, ist und α_ais die Übertragungsfunktion von Stellgliedposition zu Fläche, welche die wirksame Fläche der Luftansauganlage A_ais (einschließlich der ND-Ansaugdrossel 82) ergibt, ist. Zu bemerken ist, dass die Führungsgrößen u, die exogenen Größen w und die Ausgaben y formal definiert sind als:
wobei W_cmpr der Mengendurchfluss durch den Verdichter ist, ρ_amb die Dichte der Umgebungsluft ist und W_f der Mengendurchfluss des eingespritzten Kraftstoffs ist.
Bei der bevorzugten Ausführungsform wird das stationäre Regelstreckenmodell 327 unter Verwendung einer Sammlung von Öffnungsgleichungen mit nicht-zusammendrückbarer Strömung und Massenbilanzen modelliert. Das Regelstreckenmodell 327 kann einfach geschrieben werden als:
wobei die Funktionen h₁(u, w) und h₂(u, w) gegeben sind durch:
Die Funktionen f₁ und f₂ können erlangt werden durch das Lösen einer Sammlung von drei Öffnungsgleichungen und zwei Massenerhaltungsbeschränkungen. Die drei Öffnungsgleichungen, die verwendet werden, um den Gasstrom durch den ND-AGR-Durchgang 73, die Luftansauganlage 42 und das Endrohr 35 zu modellieren, sind gegeben durch:
wobei die Differenzdrücke gegeben sind durch:
Der Druck p_lpEgrus bezieht sich auf einen stromaufwärts von dem ND-AGR-Ventil 39 gemessenen Druck, während sich der Druck p_cmprUs auf einen stromaufwärts von dem Verdichter 52 gemessenen Druck bezieht. Die Massenerhaltung wird an dem ND-AGR-Mischpunkt 90 und für die gesamte Masse, die durch die Luftansauganlage 42 in die Luftbahn eintritt und durch das Endrohr 35 aus der Luftbahn austritt, durchgesetzt:
Das Auflösen des obigen Satzes von Öffnungsdurchfluss- und Massenerhaltungsgleichungen für die ND-AGR-Durchflussmenge W_lpEgr und den ND-AGR-Differenzdruck Δp_lpEgr ergibt:
Die Fachleute auf dem Gebiet werden erkennen, dass das soeben beschriebene statische Mehrgrößen-Regelstreckenmodell 327 das Verhalten der ND-AGR-Anlage genau modelliert. Ferner wird der linearisierte Regler Ψ(v, w) im Einzelnen von dem Regelstreckenmodell 327 erlangt durch das Bestimmen einer Umkehrfunktion von y = h(u, w), die y auf u abbildet, wobei w gegeben ist, so dass die virtuelle Regelstrecke 320 linearisiert und entkoppelt wird:
Die beispielhafte Herangehensweise 300 für die ND-AGR-Regelung weist zwei unterschiedliche Regelungsverhalten auf, die hierin in Bezug auf 2 beschrieben wird und ferner hierin und in Bezug auf 5, 6, 7 und 8 beschrieben wird.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm höherer Ebene, das ein beispielhaftes Regelungsverfahren 400 illustriert, das durch das hierin in Bezug auf 3 beschriebene Steuergerät umgesetzt wird. Im Einzelnen umfasst das Verfahren 400 eine PI-Regelungsbegrenzungsstrategie, die das Nachführen des ND-AGR-Durchflussmengensollwertes priorisiert. Das heißt, falls sich entweder das ND-AGR-Ventil oder die ND-Ansaugdrossel sättigt, dann geht die Fähigkeit, gleichzeitig den ND-AGR-Durchflussmengensollwert und den Differenzdrucksollwert nachzuführen, verloren, und dem Nachführen des Durchflussmengensollwertes wird Priorität gegeben.
Das Verfahren 400 kann bei 405 beginnen. Bei 405 kann das Verfahren 400 das Einschätzen von Betriebsbedingungen einschließen. Das Einschätzen von Betriebsbedingungen kann das Messen der Führungsgrößen u, der exogenen Größen w und der Ausgaben y, wie hierin und in Bezug auf 3 definiert. Das Verfahren 400 kann danach fortschreiten zu 410.
Bei 410 kann das Verfahren 400 das Berechnen minimaler und maximaler erreichbarer ND-AGR-Durchflussmengen einschließen. Das Berechnen minimaler und maximaler erreichbarer ND-AGR-Durchflussmengen ν max / 1 (k) und ν max / 2 (k) kann das Abschätzen von zum Beispiel Folgendem einschließen:
wobei k der aktuelle Zeitschritt ist. Beispielhafte Ergebnisse einer solchen Berechnung werden ferner hierin und in Bezug auf 6 erörtert. Das Verfahren 400 kann danach fortschreiten zu 415.
Bei 415 kann das Verfahren 400 das Anwenden der minimalen und der maximalen Durchflussmengen ν max / 1 (k) und ν max / 2 (k) als Anti-Windup-Grenzen auf den PI-Regler 312 einschließen. Das Anwenden der minimalen und der maximalen Durchflussmengen als Anti-Windup-Grenzen auf den PI-Regler 312 beschränkt eine anschließende PI-angewiesene Durchflussmenge ν 8 / 1 auf die physikalisch erreichbaren ND-AGR-Durchflussmengen, das heißt:
Das Verfahren 400 kann danach fortschreiten zu 420. Bei 420 kann das Verfahren 400 das Ausführen des Durchflussmengen-PI-Reglers 312 einschließen, um eine angewiesene Durchflussmenge ν 8 / 1 zu erreichen. Das Verfahren 400 kann danach fortschreiten zu 425.
Bei 425 kann das Verfahren 400 das Berechnen minimaler und maximaler erreichbarer Differenzdrücke Δp, beschränkt, um die angewiesene Durchflussmenge zu erreichen, einschließen. Das Berechnen minimaler und maximaler erreichbarer Differenzdrücke ν min / 2 (k) und ν max / 2 (k) kann das Abschätzen von zum Beispiel Folgendem einschließen:
wobei S_u die Domäne ist, worin die Stellgliedstellungen beschränkt sind,
Auf diese Weise werden die minimalen und maximalen erreichbaren ND-AGR-Differenzdrücke der Beschränkung unterworfen, die angewiesene ND-AGR-Durchflussmenge ν₁(k) = ν 8 / 1 zu erreichen. Beispielhafte Ergebnisse einer solchen Berechnung werden ferner hierin und in Bezug auf 6 erörtert. Das Verfahren 400 kann danach fortschreiten zu 430.
Bei 430 kann das Verfahren 400 das Anwenden der minimalen und der maximalen erreichbaren Differenzdrücke Δp als Anti-Windup-Grenzen auf den PI-Regler 314 einschließen. Das Anwenden der minimalen und der maximalen erreichbaren Differenzdrücke als Anti-Windup-Grenzen auf den PI-Regler 314 beschränkt einen anschließenden PI-angewiesenen Differenzdruck ν 8 / 2 auf die physikalisch erreichbaren Differenzdrücke, das heißt:
Das Verfahren 400 kann danach fortschreiten zu 435. Bei 435 kann das Verfahren 400 das Ausführen des Differenzdruck-PI-Reglers einschließen, um einen angewiesenen Differenzdruck ν 8 / 2 zu erreichen. Das Verfahren 400 kann danach fortschreiten zu 440.
Bei 440 kann das Verfahren 400 das Ausführen einer Linearisierung einschließen, um angewiesene Stellgliedstellungen zu erzeugen. Das Ausführen einer Linearisierung, um angewiesene Stellgliedstellungen zu erzeugen, kann durch den Regler 324 entsprechend dem in Bezug auf 3 offenbarten Linearisierungsschema ausgeführt werden so dass:
Das Verfahren 400 kann danach fortschreiten zu 445. Bei 445 kann das Verfahren 400 das Anweisen der Stellglieder zu den erzeugten angewiesenen Stellgliedstellungen einschließen. Die erzeugten angewiesenen Stellgliedstellungen sind durch u(k) gegeben. Das Verfahren 400 kann danach fortschreiten zu 450. Bei 450 kann das Verfahren 400 das Hochsetzen des Taktgebers um einen Schritt, zum Beispiel k = k + 1, einschließen. Das Verfahren 400 kann danach enden.
5 zeigt einen Satz von graphischen Darstellungen 500, der eine Begrenzungsstrategie für alle vier möglichen Fälle einer Einzelstellgliedsättigung nach der vorliegenden Offenbarung illustriert. Die graphische Darstellung 510 zeigt ein Diagramm der ND-AGR-Durchflussmenge W_lpEgr über die Zeit. Die gestrichelte Linie in der graphischen Darstellung 510 stellt den ND-AGR-Durchflussmengensollwert dar, und die durchgehende Linie stellt die gemessene ND-AGR-Durchflussmenge dar. Die graphische Darstellung 520 zeigt ein Diagramm des ND-AGR-Differenzdrucks Δp_lpEgr über die Zeit. Die gestrichelte Linie in der graphischen Darstellung 520 stellt den ND-AGR-Differenzdrucksollwert dar, und die durchgehende Linie stellt den gemessenen ND-AGR-Differenzdruck dar. Die graphische Darstellung 530 zeigt ein Diagramm der ND-Ansaugdrossel θ_lpIntThr über die Zeit. Die graphische Darstellung 540 zeigt ein Diagramm der ND-AGR-Ventilstellung θ_lpEgrVlv über die Zeit.
Von 0 Sekunden bis 5 Sekunden sind sowohl die ND-Ansaugdrossel als auch das ND-AGR-Ventil teilweise offen, wie in den graphischen Darstellungen 530 und 540 gezeigt. Die gemessene ND-AGR-Durchflussmenge und der ND-AGR-Differenzdruck sind beide nahe ihren jeweiligen Sollwerten, wie in den graphischen Darstellungen 510 und 520 zu sehen.
Von 5 Sekunden bis 10 Sekunden ist das ND-Ansaugdrossel-Stellglied gesättigt, wie in der graphischen Darstellung 530 zu sehen. Die ND-Arisaugdrosselstellung θ_lpIntThr ist bei 0%, was bedeutet, dass die ND-Ansaugdrossel vollständig offen ist. Als Reaktion auf die Sättigung des ND-Ansaugdrossel-Stellgliedes nimmt die ND-AGR-Ventilstellung zu, wie in der graphischen Darstellung 540 zu sehen. Die graphische Darstellung 510 zeigt, dass während dieses Zeitraums die gemessene ND-AGR-Durchflussmenge nahe dem Sollwert gehalten wird. Indessen zeigt die graphische Darstellung 520, dass der gemessene ND-AGR-Differenzdruck Δp_lpEgr nicht dazu in der Lage ist, den Differenzdrucksollwert zu erreichen.
Von 10 Sekunden bis 15 Sekunden ist das ND-Ansaugdrossel-Stellglied wieder gesättigt. Jedoch ist in diesem Fall die ND-Arisaugdrosselstellung θ_lpIntThr bei 100%, was bedeutet, dass die ND-Ansaugdrossel vollständig geschlossen ist. Als Reaktion auf die Sättigung des ND-Ansaugdrossel-Stellgliedes nimmt die ND-AGR-Ventilstellung θ_lpEgrVlv zu. Diese gesteigerte ND-AGR-Ventilstellung θ_lpEgrVlv hält die gemessene ND-AGR-Durchflussmenge W_lpEgr sehr nahe an dem Durchflussmengensollwert. Indessen ist der gemessene ND-AGR-Differenzdruck Δp_lpEgr wieder nicht dazu in der Lage, den Differenzdrucksollwert zu erreichen.
Von 15 Sekunden bis 20 Sekunden ist das ND-AGR-Ventilstellglied gesättigt. Die ND-AGR-Ventilstellung θ_lpEgrVlv ist bei 100%, was bedeutet, dass das ND-AGR-Ventil vollständig offen ist. Als Reaktion auf die Sättigung des ND-AGR-Ventilstellgliedes nimmt die ND-Arisaugdrosselstellung θ_lpIntThr geringfügig ab. Diese verminderte ND-Arisaugdrosselstellung θ_lpIntThr hält die gemessene ND-AGR-Durchflussmenge W_lpEgr sehr nahe an dem Durchflussmengensollwert. Indessen ist der gemessene ND-AGR-Differenzdruck Δp_lpEgr nicht dazu in der Lage, den Differenzdrucksollwert zu erreichen.
Von 20 Sekunden bis 25 Sekunden ist das ND-AGR-Ventilstellglied wieder gesättigt. Die ND-AGR-Durchflussmenge W_lpEgr ist null, so dass die ND-AGR-Ventilstellung θ_lpEgrVlv bei 0% ist, das heißt, das ND-AGR-Ventil ist vollständig geschlossen, um auf triviale Weise den Durchflussmengensollwert zu erreichen. Die ND-Arisaugdrosselstellung θ_lpIntThr nimmt ab, um den gemessenen ND-AGR-Differenzdruck Δp_lpEgr bei dem Differenzdrucksollwert zu halten. Dies ist nur dann der Fall, wenn ein Stellglied gesättigt ist, während beide Sollwerte erreicht werden.
In jedem Fall wird der ND-AGR-Mengendurchfluss-Sollwert mit einem stationären Fehler von null nachgeführt, während bei dem ND-AGR-Differenzdruck ein Regelfehler vorhanden ist. Im letzten Fall ist das ND-AGR-Ventil vollständig geschlossen, während die ND-Ansaugdrossel teilweise offen ist. Dies tritt nur dann auf, wenn die gewünschte ND-AGR-Durchflussmenge W_lpEgrDes = 0 und der gewünschte ND-AGR-Differenzdruck Δp_lpEgrDes größer festgesetzt ist als der ungedrosselte Differenzdruck, was eine Drosselung veranlasst, während das ND-AGR-Ventil geschlossen ist. Dieser Fall ist während des normalen Motorbetriebs nicht nützlich und kann vermieden werden durch das Festsetzen von Δp_lpEgrDes = 0, wann immer W_lpEgrDes = 0, wodurch die Drossel vollständig gezwungen werden kann, vollständig zu öffnen, wann immer die gewünschte Durchflussmenge null ist. Auf diese Weise kann der Mehrgrößenregler durch das absichtliche unerreichbar niedrige Festsetzen des Differenzdrucks, zum Beispiel Δp_lpEgrDes = 0, gezwungen werden, als ein Regler mit verketteten Stellgliedern zu arbeiten. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist der Differenzdrucksollwert Δp_lpEgrDes = 5 hPa, so dass der Regler als ein Regler mit verketteten Stellgliedern arbeitet, wenn der Differenzdruck oberhalb des Sollwertes liegt, und den Betrieb als ein Mehrgrößenregler wiederaufnimmt, wenn der Differenzdruck unterhalb des Sollwertes liegt.
6 zeigt eine Illustration des Satzes von erreichbaren ND-AGR-Ventilstellungen und Drosselstellungen und entsprechenden ND-AGR-Durchflussmengen und Differenzdrücken nach der vorliegenden Offenbarung. Die gezeigten Diagramme wurden unter Verwendung des Systems und der Verfahren, die oben in Bezug auf 3 und 4 offenbart wurden, erzeugt, unter der Annahme einer Verdichter-Durchflussmenge W_cmpr = 400 kg/h und einer Dichte der Umgebungsluft p_amb = 1,19 kg/m³.
Die graphische Darstellung 610 zeigt den Satz von erreichbaren ND-AGR-Ventilstellungen u₁ und ND-Ansaugdrosselstellungen u₂. Die x-Achse der graphischen Darstellung 610 stellt die ND-AGR-Ventilstellung u₁ als einen Betätigungsprozentsatz dar, wobei 0% einem vollständig geschlossenen Ventil entspricht und 100% einem vollständig geöffneten Ventil entspricht. Die y-Achse der graphischen Darstellung 610 stellt die ND-Ansaugdrosselstellung u₂ als einen Betätigungsprozentsatz dar, wobei 0% einer vollständig offenen Drossel entspricht und 100% einer vollständig geschlossenen Drossel entspricht. Die Konventionen werden hergestellt durch das Festsetzen von 0% für die nicht-erregte Stellgliedstellung, was für eine Dieselumsetzung offen für die ND-Ansaugdrossel und geschlossen für das ND-AGR-Ventil ist. Die gestrichelte Linie 612 umschließt den gesamten Satz von möglichen ND-AGR-Ventilstellungen und Ansaugdrosselstellungen. Da sowohl das ND-AGR-Ventil als auch die ND-Ansaugdrossel dazu in der Lage sind, von vollständig geschlossen bis zu vollständig offen zu wechseln, umschließt die gestrichelte Linie 612 den gesamten Konfigurationsraum. Die gestrichelte Linie 612 hat vier Ecken, die durch die Punkte 620, 622, 624 und 626 bezeichnet werden. Der Punkt 620 entspricht einer vollständig geschlossenen ND-Ansaugdrossel und einem vollständig geschlossenen ND-AGR-Ventil. Der Punkt 622 entspricht einer vollständig geschlossenen ND-Ansaugdrossel und einem vollständig offenen ND-AGR-Ventil. Der Punkt 624 entspricht einer vollständig offenen ND-Ansaugdrossel und einem vollständig geschlossenen ND-AGR-Ventil. Der Punkt 626 entspricht einer vollständig offenen ND-Ansaugdrossel und einem vollständig offenen ND-AGR-Ventil.
Die graphische Darstellung 630 zeigt den Satz von erreichbaren ND-AGR-Durchflussmengen v₁ und ND-AGR-Differenzdrücken v₂. Die x-Achse der graphischen Darstellung 630 stellt die ND-AGR-Durchflussmenge in Einheiten von Kilogramm pro Stunde dar. Die y-Achse der graphischen Darstellung 630 stellt den ND-AGR-Differenzdruck in Einheiten von Hektopascal dar. Die gestrichelte Linie 632 umschließt den gesamten Satz von möglichen ND-AGR-Durchflussmengen und -Differenzdrücken, die durch die vorliegende Erfindung erreichbar sind. Die gestrichelte Linie 632 hat vier Ecken, die durch die Punkte 640, 642, 644 und 646 bezeichnet werden. Jede Ecke der gestrichelten Linie 632 entspricht einer Ecke der gestrichelten Linie 612 in der graphischen Darstellung 610. Zum Beispiel entspricht der Punkt 640 dem Punkt 620, was bedeutet, dass, wenn die ND-Ansaugdrossel vollständig geschlossen ist und das ND-AGR-Ventil vollständig geschlossen ist, die ND-AGR-Durchflussmenge v₁ = 0 kg/h und der ND-AGR-Differenzdruck v₂ ≈ 70 hPa. Ähnlich entspricht der Punkt 642 den durch den Punkt 622 gegebenen Stellgliedstellungen, der Punkt 644 entspricht den durch den Punkt 624 gegebenen Stellgliedstellungen, und der Punkt 646 entspricht den durch den Punkt 626 gegebenen Stellgliedstellungen.
Da die hierin und in Bezug auf 4 offenbarte PI-Begrenzungsstrategie das Nachführen der ND-AGR-Durchflussmenge gegenüber dem ND-AGR-Differenzdruck priorisiert, ist es aufschlussreich, den Bereich von Stellgliedstellungen und Differenzdrücken für eine gewünschte ND-AGR-Durchflussmenge v₁ ^* zu betrachten. Zum Beispiel ist die durchgehende Linie 615 in der graphischen Darstellung 610 die Teilmenge von Stellgliedstellungen, die einer gewünschten ND-AGR-Durchflussmenge v₁ ^* = 50 kg/h entspricht. Die durchgehende Linie 635 in der graphischen Darstellung 630 ist die Teilmenge von erreichbaren Differenzdrücken angesichts der Beschränkung auf das Erreichen der gewünschten ND-AGR-Durchflussmenge v₁ ^* = 50 kg/h. Der minimale ND-AGR-Differenzdruck v₂ ^min = 12 hPa tritt auf, wenn die ND-AGR-Ventilstellung u₁ = 100% ist und die ND-Ansaugdrosselstellung u₂ = 60% ist. Der maximale ND-AGR-Differenzdruck v₂ ^max = 56 hPa tritt auf, wenn die ND-Ansaugdrosselstellung u₂ = 100% ist und die ND- AGR-Ventilstellung u₁ ≈ 12% ist. Daher muss, um den Differenzdruck v₂ zu minimieren, während die gewünschte ND-AGR-Durchflussmenge v₁ ^* erreicht wird, sich zuerst das ND-AGR-Ventilstellglied sättigen, und danach kann das ND-Ansaugdrosselstellglied die Durchflussmenge nachführen. Auf diese Weise kann der Regler als ein Regler mit verketteten Stellgliedern fungieren.
7 zeigt einen Satz von graphischen Darstellungen 700, der den ND-AGR-Regler illustriert, der während eines Federal-Test-Procedure-(FTP75-)Fahrzyklus als ein Mehrgrößenregler nach der vorliegenden Offenbarung fungiert. Im Einzelnen zeigt der Satz von graphischen Darstellungen 700 einen Abschnitt des FTP75-Fahrzyklus, der dem zweiten „Hügel” der Fahrzeuggeschwindigkeit während der heißen Phase des Fahrzyklus entspricht.
Die graphische Darstellung 710 zeigt eine ND-AGR-Durchflussmenge W_lpEgr über die Zeit. Die gestrichelte Linie in der graphischen Darstellung 710 stellt den ND-AGR-Durchflussmengensollwert W_lpEgrDes dar, während die durchgehende Linie die gemessene ND-AGR-Durchflussmenge W_lpEgrMeas darstellt. Die graphische Darstellung 720 zeigt einen ND-AGR-Differenzdruck Δp_lpEgr über die Zeit. Die gestrichelte Linie in der graphischen Darstellung 720 stellt den ND-AGR-Differenzdrucksollwert Δp_lpEgrDes dar, während die durchgehende Linie den gemessenen ND-AGR-Differenzdruck Δp_lpEgrMeas darstellt. Der gewünschte ND-AGR-Differenzdruck Δp_lpEgrDes = 15 hPa, mit der Ausnahme von Δp_lpEgrDes = 0 hPa, wenn die gewünschte ND-AGR-Durchflussmenge W_lpEgrDes = 0 kg/h. Die graphische Darstellung 730 zeigt eine gemessene ND-Ansaugdrosselstellung θ_lpIntThr über die Zeit. Die ND-Ansaugdrosselstellung θ_lpIntThr wird als ein Prozentsatz gezeigt, der von 0% bis zu 100%, das heißt, von vollständig offen zu vollständig geschlossen, reicht. Die graphische Darstellung 740 zeigt eine gemessene ND-AGR-Ventilstellung θ_lpEgrVlv über die Zeit. Die ND-AGR-Ventilstellung θ_lpEgrVlv wird als ein Prozentsatz gezeigt, der von 0% bis zu 100%, das heißt, von vollständig geschlossen zu vollständig offen, reicht.
Die graphische Darstellung 710 zeigt eine starke Korrelation zwischen der gemessenen ND-AGR-Durchflussmenge und der gewünschten ND-AGR-Durchflussmenge. Der mittlere quadratische (root-mean-square – RMS-)Regelfehler der ND-AGR-Durchflussmenge beträgt 2,1 kg/h. Die graphische Darstellung 720 zeigt eine starke Korrelation zwischen dem gemessenen ND-AGR-Differenzdruck und dem gewünschten ND-AGR-Differenzdruck. Der gemessene ND-AGR-Differenzdruck ist nicht dazu in der Lage, den ND-AGR-Differenzdrucksollwert zu erreichen, wenn der Sollwert null ist, obwohl der gemessene ND-AGR-Differenzdruck minimiert wird, wenn beide Stellglieder gesättigt sind.
Die graphischen Darstellungen 730 und 740 illustrierten das Mehrgrößen-Regelverhalten der ND-Ansaugdrossel 82 und des ND-AGR-Ventils 39. Die graphische Darstellung 730 zeigt, dass die ND-Ansaugdrossel für den Großteil des Zyklus größtenteils geschlossen ist und vollständig öffnet, wenn die Sollwerte von ND-AGR-Durchflussmenge und -Differenzdruck gleich null sind. Die RMS-Abweichung der ND-Ansaugdrosselstellung beträgt 4,4%. Indessen ist das ND-AGR-Ventil für den Großteil des Zyklus größtenteils geschlossen und schließt vollständig, wenn die Sollwerte von ND-AGR-Durchflussmenge und -Differenzdruck gleich null sind. Die RMS-Abweichung der ND-AGR-Ventilstellung beträgt 3,6%. Diese RMS-Werte für den ND-AGR-Durchflussmengenfehler und die Stellgliedstellungsabweichung sind nur im Vergleich zu anderen Ergebnissen bedeutsam und werden also hierin und in Bezug auf 8 weiter erörtert werden.
8 zeigt einen Satz von graphischen Darstellungen 800, der den ND-AGR-Regler illustriert, der während eines Federal-Test-Procedure-(FTP75-)Fahrzyklus als ein Regler mit verketteten Stellgliedern nach der vorliegenden Offenbarung fungiert. Im Einzelnen zeigt der Satz von graphischen Darstellungen 800 einen Abschnitt des FTP75-Fahrzyklus, der dem zweiten „Hügel” der Fahrzeuggeschwindigkeit während der heißen Phase des Fahrzyklus entspricht.
Die graphische Darstellung 810 zeigt eine ND-AGR-Durchflussmenge W_lpEgr über die Zeit. Die gestrichelte Linie in der graphischen Darstellung 810 stellt den ND-AGR-Durchflussmengensollwert W_lpEgrDes dar, während die durchgehende Linie die gemessene ND-AGR-Durchflussmenge W_lpEgrMeas darstellt. Der Verlauf des ND-AGR-Durchflussmengensollwertes in der graphischen Darstellung 810 ist identisch zu dem Verlauf des ND-AGR-Durchflussmengensollwertes in der graphischen Darstellung 710 von 7. Die graphische Darstellung 820 zeigt einen ND-AGR-Differenzdruck Δp_lpEgr über die Zeit. Die gestrichelte Linie in der graphischen Darstellung 820 stellt einen ND-AGR-Differenzdrucksollwert Δp_lpEgrDes dar, während die durchgehende Linie einen gemessenen ND-AGR-Differenzdruck Δp_lpEgrMeas darstellt. Der gewünschte ND-AGR-Differenzdruck ist durch den gesamten Zyklus Δp_lpEgrDes = 0 hPa. Die graphische Darstellung 830 zeigt eine gemessene ND-Ansaugdrosselstellung θ_lpIntThr über die Zeit. Die ND-Ansaugdrosselstellung θ_lpIntThr wird als ein Prozentsatz gezeigt, der von 0% bis zu 100%, das heißt, von vollständig offen zu vollständig geschlossen, reicht. Die graphische Darstellung 840 zeigt eine gemessene ND-AGR-Ventilstellung θ_lpEgrVlv über die Zeit. Die ND-AGR-Ventilstellung θ_lpEgrVlv wird als ein Prozentsatz gezeigt, der von 0% bis zu 100%, das heißt von vollständig geschlossen zu vollständig offen, reicht.
Die graphische Darstellung 810 zeigt eine starke Korrelation zwischen der gemessenen ND-AGR-Durchflussmenge und der gewünschten ND-AGR-Durchflussmenge. Der RMS-Regelfehler der ND-AGR-Durchflussmenge beträgt 2,9 kg/h. Die graphische Darstellung 820 zeigt, dass der gemessene ND-AGR-Differenzdruck Δp_lpEgrMeas nicht dazu in der Lage ist, den ND-AGR-Differenzdrucksollwert Δp_lpEgrDes = 0 zu erreichen, wie zu erwarten, obwohl der gemessene ND-AGR-Differenzdruck grob um 5 hPa herum minimiert wird.
Die graphischen Darstellungen 830 und 840 illustrierten das Reglerverhalten mit verketteten Stellgliedern der ND-Ansaugdrossel 82 und des ND-AGR-Ventils 39. Wenigstens eines der Stellglieder ist jederzeit während des Zyklus gesättigt. Wenn sich ein Stellglied sättigt, ist das ungesättigte Stellglied für das Nachführen der ND-AGR-Durchflussmenge zum Sollwert verantwortlich. Demzufolge beträgt die RMS-Abweichung der ND-AGR-Ventilstellung 5,7%, und die RMS-Abweichung der ND-Ansaugdrosselstellung beträgt 4,7%. Das heißt, es gibt eine gesteigerte Stellgliedabweichung, verglichen mit den in 7 gezeigten Mehrgrößenregler-Ergebnissen. Die gesteigerte Stellgliedabweichung für den Regler mit verketteten Stellgliedern folgt der physikalischen Intuition. Angesichts niedrigerer ND-AGR-Differenzdrücke erfordert das ND-AGR-Ventil Bewegungen größeren Ausmaßes, um äquivalente Durchflussmengenveränderungen zu bewirken.
Der Regler mit verketteten Stellgliedern minimiert den ND-AGR-Differenzdruck Δp_lpEgr auf Kosten eines höheren Regelfehlers der ND-AGR-Durchflussmenge W_lpEgr und einer gesteigerten Stellgliedabweichung, verglichen mit dem Mehrgrößenregler.
Bei der bevorzugten Ausführungsform wird der ND-AGR-Differenzdrucksollwert als eine minimaler Wertuntergrenze verwendet. Das heißt, der ND-AGR-Differenzdrucksollwert Δp_lpEgrDes kann auf einen sehr niedrigen Wert, zum Beispiel Δp_lpEgrDes = 5 hPa, festgesetzt werden um die verringerte Robustheit in der unmittelbaren Nähe der Singularität bei Δp_lpEgr = 0 hPa in dem inversen Regelstreckenmodell zu vermeiden. Auf diese Weise wird, falls der Differenzdruck unterhalb von 5 hPa liegt, sich der Regler dann als der Mehrgrößenregler verhalten und den Differenzdruck bei 5 hPa halten, während der ND-AGR-Durchflussmengensollwert nachgeführt wird. Falls der Differenzdruck jedoch oberhalb von 5 hPa liegt, dann wird der Regler als der Regler mit verketteten Stellgliedern arbeiten, der den zum Erreichen der ND-AGR-Durchflussmenge notwendigen Differenzdruck minimiert und dementsprechend den geringfügigen Kraftstoffverbrauch auf Grund der ND-AGR-Pumparbeit minimiert.
Es ist zu bemerken, dass die hierin eingeschlossenen beispielhaften Steuerungs- und Abschätzungsroutinen mit verschiedenen Motor- und/oder Fahrzeug-Systemkonfigurationen verwendet werden können. Die hierin offenbarten Steuerungsverfahren und -routinen können als ausführbare Anweisungen in nichtflüchtigem Speicher gespeichert sein. Die hierin beschriebenen spezifischen Routinen können eine oder mehrere einer beliebigen Anzahl von Verarbeitungsstrategien, wie beispielsweise ereignisgesteuert, unterbrechungsgesteuert, Multitasking, Multithreading und dergleichen, verkörpern. Daher können verschiedene illustrierte Schritte, Operationen und/oder Funktionen in der illustrierten Folge, parallel ausgeführt oder in einigen Fällen weggelassen werden. Gleichfalls ist die Reihenfolge der Verarbeitung nicht notwendigerweise erforderlich, um die Merkmale und Vorteile der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele zu erreichen, sondern wird zur einfachen Illustration und Beschreibung geliefert. Eine(r) oder mehrere der illustrierten Schritte, Operationen und/oder Funktionen kann/können in Abhängigkeit von der besonderen verwendeten Strategie wiederholt ausgeführt werden. Ferner können die beschriebenen Schritte, Operationen und/oder Funktionen graphisch einen Code darstellen, der in nicht-flüchtigen Speicher des rechnerlesbaren Speichermediums in dem Motor-Steuerungssystem zu programmieren ist.
Es wird zu erkennen sein, dass die hierin offenbarten Konfigurationen und Routinen von beispielhafter Beschaffenheit sind und dass diese spezifischen Ausführungsformen oder Beispiele nicht in einem begrenzenden Sinn zu betrachten sind, weil zahlreiche Variationen möglich sind. Zum Beispiel kann die obige Technologie auf V6-, R4-, R6-, V12-, Boxer-4- und andere Motorentypen angewendet werden. Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung schließt alle neuartigen und nicht offensichtlichen Kombinationen und Unterkombinationen der verschiedenen Systeme und Konfigurationen und andere hierin offenbarte Merkmale, Funktionen und/oder Eigenschaften ein.
Die folgenden Ansprüche heben bestimmte Kombinationen und Unterkombinationen besonders hervor, die als neuartig und nicht offensichtlich betrachtet werden. Diese Ansprüche können sich auf „ein” Element oder „ein erstes” Element oder das Äquivalent desselben beziehen. Solche Ansprüche sollten so verstanden werden, dass sie die Einbeziehung eines oder mehrerer solcher Elemente einschließen, wobei zwei oder mehr solcher Elemente weder erforderlich noch ausgeschlossen sind. Andere Kombinationen und Unterkombinationen der offenbarten Merkmale, Funktionen, Elemente und/oder Eigenschaften können durch Abänderung der vorliegenden Ansprüche oder durch die Vorlage von neuen Ansprüchen in dieser oder einer verwandten Anmeldung beansprucht werden. Solche Ansprüche, ob weiter, enger, gleich oder unterschiedlich im Rahmen gegenüber den ursprünglichen Ansprüchen, werden ebenfalls als innerhalb des Gegenstandes der vorliegenden Offenbarung eingeschlossen betrachtet.

Claims

Verfahren für einen Motor mit Turboaufladung, das Folgendes umfasst: als Reaktion auf eine Differenz zwischen Ansaug- und Abgasdruck unterhalb eines Schwellenwertes das Einstellen eines ND-AGR-Ventils, während eine ND-Ansaugdrossel eingestellt wird, um eine ND-AGR-Durchflussmenge und die Differenz auf jeweilige Sollwerte zu regulieren; und als Reaktion auf die Differenz oberhalb des Schwellenwertes das Sättigen des ND-AGR-Ventils, um die Differenz zu minimieren, während die Drossel betätigt wird, um die Durchflussmenge auf ihren Sollwert zu regulieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Regulieren der ND-AGR-Durchflussmenge auf den Durchflussmengensollwert gegenüber dem Regulieren der Differenz auf den Differenzsollwert priorisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schwellenwert 5 Hektopascal beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Durchflussmengensollwert auf Motorbetriebsbedingungen beruht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Differenzsollwert zu dem Schwellenwert äquivalent ist.
Verfahren nach Anspruch 1, das ein Paar von Proportional-Integral-Reglern und einen Linearisierungsregler verwendet, um die ND-Ansaugdrossel und das ND-AGR-Ventil zu steuern.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Linearisierungsregler auf einem physikalisch basierten Modell der ND-AGR-Anlage beruht, wobei das physikalisch basierte Modell auf Annahmen eines nicht-zusammendrückbaren Abgases und einer stationären Dynamik des ND-AGR-Ventils und der ND-Ansaugdrossel beruht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Motor mit Turboaufladung einen AGR-Durchgang einschließt und der AGR-Durchgang einen Motorauslass stromabwärts von einer Turbine an eine Motoransaugung stromaufwärts von einem Verdichter anschließt.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das ND-AGR-Ventil in dem AGR-Durchgang stromaufwärts von dem Verdichter angeordnet ist und wobei die ND-Ansaugdrossel in einem Luftansaugdurchgang der Motoransaugung stromaufwärts von dem Verdichter angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Durchflussmenge stromabwärts von dem ND-AGR-Ventil gemessen wird.
Verfahren für einen Motor mit Turboaufladung, das Folgendes umfasst: als Reaktion auf eine Differenz zwischen Ansaug- und Abgasdruck unterhalb eines Schwellenwertes das Einstellen eines ND-AGR-Ventils, während eine ND-Ansaugdrossel eingestellt wird, um eine ND-AGR-Durchflussmenge und die Differenz jeweils auf einen Durchfluss-Sollwert beziehungsweise einen Differenzsollwert zu regulieren; und als Reaktion auf die Differenz oberhalb des Schwellenwertes in einem ersten Modus das Sättigen des ND-AGR-Ventils, um die Differenz zu minimieren, während die Drossel betätigt wird, um die Durchflussmenge auf den Durchfluss-Sollwert zu regulieren, und in einem zweiten Modus das Sättigen der Ansaugdrossel, um die Differenz zu minimieren, während das ND-AGR-Ventil betätigt wird, um die Durchflussmenge auf den Durchfluss-Sollwert zu regulieren.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Regulieren der ND-AGR-Durchflussmenge auf den Durchflussmengensollwert gegenüber dem Regulieren der Differenz auf den Differenzsollwert priorisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Durchflussmenge stromabwärts von dem AGR-Ventil gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Differenzsollwert zu dem Schwellenwert äquivalent ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schwellenwert 5 Hektopascal beträgt.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Durchflussmengensollwert auf einer Motorbetriebsbedingung beruht.
Verfahren nach Anspruch 11, das ein Paar von Proportional-Integral-Reglern und einen Linearisierungsregler verwendet, um die ND-Ansaugdrossel und das ND-AGR-Ventil zu steuern.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Linearisierungsregler auf einem physikalisch basierten Modell der ND-AGR-Anlage beruht, wobei das physikalisch basierte Modell auf Annahmen eines nicht-zusammendrückbaren Abgases und einer stationären Dynamik des AGR-Ventils und der ND-Ansaugdrossel beruht.
Verbrennungskraftmaschinensystem, das Folgendes umfasst: einen Turbolader, der einen mit einer Turbine verbundenen Verdichter einschließt, wobei der Verdichter in Verbindung mit einem Ansaugkrümmer des Motors steht und die Turbine in Verbindung mit einem Abgaskrümmer des Motors steht; einen Niederdruck(ND)-Abgasrückführungs(AGR)-Durchgang, der ein AGR-Ventil und eine Ansaugdrossel, die den Ansaugkrümmer und den Abgaskrümmer verbindet, einschließt, wobei das AGR-Ventil auf ein AGR-Ventilsteuersignal anspricht und die Ansaugdrossel auf ein Ansaugdrosselsteuersignal anspricht, um eine Durchflussmenge in den Ansaugkrümmer und einen Differenzdruck in dem ND-AGR-Durchgang zu regulieren; einen Regler, der mit in nicht-flüchtigem Speicher gespeicherten Anweisungen konfiguriert ist, die, wenn sie ausgeführt werden, den Regler zu Folgendem veranlassen: auf der Grundlage einer Bezugsdurchflussmenge und einer gemessenen Durchflussmenge einen Durchflussmengenfehler zu erzeugen; auf der Grundlage eines Bezugsdifferenzdrucks und eines gemessenen Differenzdrucks einen Differenzdruckfehler zu erzeugen; eine minimale und eine maximale erreichbare Durchflussmenge zu berechnen; die minimale und die maximale erreichbare Durchflussmenge als Anti-Windup-Grenzen auf einen ersten Proportional-Integral-Regler anzuwenden; den ersten Proportional-Integral-Regler auszuführen, um als Reaktion auf den Durchflussmengenfehler einen angepassten Durchflussmengen-Sollwert zu erzeugen; als Reaktion auf den angepassten Durchflussmengen-Sollwert einen minimalen und einen maximalen erreichbaren Differenzdruck zu berechnen; den minimalen und den maximalen erreichbaren Differenzdruck als Anti-Windup-Grenzen auf einen zweiten Proportional-Integral-Regler anzuwenden; den zweiten Proportional-Integral-Regler auszuführen, um als Reaktion auf den Differenzdruckfehler einen angepassten Differenzdruck-Sollwert zu erzeugen; einen Linearisierungsregler auszuführen, um als Reaktion auf den angepassten Durchflussmengen-Sollwert und den angepassten Differenzdruck-Sollwert eine AGR-Ventil-Stellgliedposition und eine ND-Ansaugdrossel-Stellgliedposition zu erzeugen; und das AGR-Ventil auf die AGR-Ventil-Stellgliedposition und die ND-Ansaugdrossel auf die ND-Ansaugdrossel-Stellgliedposition zu steuern.
System nach Anspruch 19, wobei der Linearisierungsregler auf einem physikalisch basierten Modell der ND-AGR-Anlage beruht, wobei das physikalisch basierte Modell auf Annahmen eines nicht-zusammendrückbaren Abgases und einer stationären Dynamik des AGR-Ventil-Stellgieds und des ND-Ansaugdrossel-Ventils beruht.