DE102015119363A1

DE102015119363A1 - Verfahren zur modellbasierten steuerung von agr, frischluftmassenströmung und ladedruck mit mehreren variablen für verkleinerte aufgeladene motoren

Info

Publication number: DE102015119363A1
Application number: DE102015119363.9A
Authority: DE
Inventors: Yue-Yun Wang; Ibrahim Haskara; Vincenzo ALFIERI; Guiseppe Conte
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2014-11-20
Filing date: 2015-11-10
Publication date: 2016-05-25
Also published as: US20160146134A1; CN105626290A

Abstract

Ein Motor weist ein Abgasrückführungssystem, ein Luftdrosselsystem und ein Aufladungssystem auf. Ein Verfahren zum Steuern des Motors umfasst, dass gewünschte Betriebs-Zielanweisungen für jedes der Systeme überwacht werden; dass Betriebsparameter des Luftaufladungssystems überwacht werden; und dass ein Rückkopplungssteuersignal für jedes der Systeme jeweils basierend auf den gewünschten Betriebs-Zielanweisungen und den Betriebsparametern des Luftaufladungssystems ermittelt wird. Eine Abgasrückführungsströmung in dem Abgasrückführungssystem, eine Luftströmung in dem Luftdrosselsystem und ein Turbinenleistungsparameter in dem Luftaufladungssystem werden jeweils basierend auf den jeweiligen Rückkopplungssteuersignalen für jedes der Systeme ermittelt. Eine Systemsteueranweisung wird für jedes der Systeme jeweils basierend auf der Abgasrückführungsströmung, der Luftströmung und den Turbinenleistungsparametern ermittelt. Das Luftaufladungssystem wird basierend auf den Systemsteueranweisungen für jedes der Systeme gesteuert.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung betrifft die Steuerung von Verbrennungsmotoren.
HINTERGRUND
Die Angaben in diesem Abschnitt stellen nur Hintergrundinformationen bezogen auf die vorliegende Offenbarung dar. Dementsprechend sollen solche Angaben keine Berechtigung als Stand der Technik darstellen.
Eine Motorsteuerung umfasst die Steuerung von Parametern beim Betrieb eines Motors basierend auf einer Soll-Motorausgabe, die eine Motordrehzahl und eine Motorlast umfasst, und den daraus resultierenden Betrieb, der beispielsweise Motoremissionen umfasst. Parameter, die durch Motorsteuerverfahren gesteuert werden, umfassen die Luftströmung, die Kraftstoffströmung sowie Einstellungen für Einlass- und Auslassventile.
Ladeluft kann einem Motor zugeführt werden, um eine erhöhte Luftströmung in den Motor relativ zu einem selbstsaugenden Einlasssystem bereitzustellen, um die Ausgabe des Motors zu erhöhen. Ein Turbolader verwendet den Druck in einem Abgassystem des Motors, um einen Kompressor anzutreiben, der die Ladeluft dem Motor zuführt. Beispielhafte Turbolader können Turbolader mit variabler Geometrie (VGT) umfassen, die eine Modulation der zugeführten Ladeluft entsprechend den gegebenen Bedingungen im Abgassystem ermöglichen. Ein Turbokompressor verwendet mechanische Leistung des Motors, wie sie beispielsweise durch einen Riemen für Nebenaggregate bereitgestellt wird, um einen Kompressor anzutreiben, der dem Motor Ladeluft zuführt. Motorsteuerverfahren steuern den Ladedruck, um die resultierende Verbrennung in dem Motor und die resultierenden Ausgabe des Motors zu steuern.
Eine Abgasrückführung (AGR) ist ein anderer Parameter, der durch Motorsteuerungen gesteuert werden kann. Eine Abgasströmung in dem Abgassystem eines Motors ist an Sauerstoff verarmt und besteht im Wesentlichen aus einem reaktionsträgen Gas. Wenn es in Kombination mit einer Verbrennungsladung aus Kraftstoff und Luft in eine Verbrennungskammer eingeleitet oder in dieser zurückgehalten wird, moderiert das Abgas die Verbrennung, und es verringert eine Ausgabe sowie eine adiabatische Flammentemperatur. Die AGR kann bei Strategien mit nach Früh verstellter Verbrennung, welche beispielsweise eine Verbrennung mit homogener Kompressionszündung (HCCI-Verbrennung) umfassen, in Kombination mit anderen Parametern gesteuert werden. Die AGR kann auch gesteuert werden, um Eigenschaften der resultierenden Abgasströmung zu verändern. Motorsteuerverfahren steuern die AGR, um die resultierende Verbrennung in dem Motor und die resultierende Ausgabe des Motors zu steuern.
Lufthandhabungssysteme für einen Motor regeln die Strömung der Einlassluft und der AGR in den Motor. Die Lufthandhabungssysteme müssen derart ausgestattet sein, dass sie Ziele für die Ladungsluftzusammensetzung erfüllen (z. B. einen Zielwert für den AGR-Anteil), um Emissionsziele zu erreichen, und um Ziele für die gesamte verfügbare Luft zu erfüllen (z. B. für die Luftmassenströmung der Ladung), um die Soll-Leistung und die Drehmomentziele zu erreichen. Die Aktuatoren, welche die AGR-Strömung am stärksten beeinflussen, beeinflussen im Allgemeinen die Ladungsströmung, und die Aktuatoren, welche die Ladungsströmung am stärksten beeinflussen, beeinflussen im Allgemeinen die AGR-Strömung. Daher weist ein Motor mit einem modernen Lufthandhabungssystem ein System mit mehreren Eingängen und mehreren Ausgängen (MIMO-System) mit gekoppelten Eingangs-Ausgangs-Antwortschleifen auf.
MIMO-Systeme, bei denen die Eingänge gekoppelt sind, d. h., dass sich die Eingangs-Ausgangs-Antwortschleifen gegenseitig beeinflussen, zeigen in der Technik wohlbekannte Herausforderungen. Ein Lufthandhabungssystem eines Motors weist weitere Herausforderungen auf. Der Motor arbeitet über einen weiten Bereich von Parametern, die variable Motordrehzahlen, variable Drehmomentausgaben und eine variable Kraftstoffzufuhr sowie variable Pläne für die zeitliche Steuerung umfassen. In vielen Fällen sind die genauen Übertragungsfunktionen für das System nicht verfügbar, und/oder es ist die Rechnerleistung nicht verfügbar, die für eine Standard-Entkopplungsberechnung erforderlich ist.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Motor weist ein Abgasrückführungssystem, ein Luftdrosselsystem und ein Aufladungssystem auf. Ein Verfahren zum Steuern des Motors umfasst, dass gewünschte Betriebs-Zielanweisungen für jedes von dem Abgasrückführungssystem, dem Luftdrosselsystem und dem Luftaufladungssystem überwacht werden; dass Betriebsparameter für das Luftaufladungssystem überwacht werden; und dass ein Rückkopplungssteuersignal für jedes von dem Abgasrückführungssystem, dem Luftdrosselsystem und dem Luftaufladungssystem jeweils basierend auf den gewünschten Betriebs-Zielanweisungen und den Betriebsparametern des Luftaufladungssystems ermittelt wird. Eine Abgasrückführungsströmung in dem Abgasrückführungssystem, eine Luftströmung in dem Luftdrosselsystem und ein Turbinenleistungsparameter in dem Luftaufladungssystem werden jeweils basierend auf den Rückkopplungssteuersignalen für jedes von dem Abgasrückführungssystem, dem Luftdrosselsystem und dem Luftaufladungssystem ermittelt. Eine Systemsteueranweisung wird für jedes von dem Abgasrückführungssystem, dem Luftdrosselsystem und dem Luftaufladungssystem jeweils basierend auf der Abgasrückführungsströmung, der Luftströmung und den Turbinenleistungsparametern ermittelt. Das Luftaufladungssystem wird basierend auf den Systemsteueranweisungen für jedes von dem Abgasrückführungssystem, dem Luftdrosselsystem und dem Luftaufladungssystem gesteuert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine oder mehrere Ausführungsformen werden nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, von denen:
1 beispielhaft einen Verbrennungsmotor, ein Steuermodul und ein Abgasnachbehandlungssystem gemäß der vorliegenden Offenbarung schematisch darstellt;
2 eine beispielhafte Motorkonfiguration mit Turbolader gemäß der vorliegenden Offenbarung schematisch darstellt;
3 eine beispielhafte Motorkonfiguration mit Turbokompressor gemäß der vorliegenden Offenbarung schematisch darstellt;
4 gemäß der vorliegenden Offenbarung ein beispielhaftes nichtlineares Steuersystem für eine Luftaufladung mit mehreren Variablen schematisch darstellt, das eine Zustandsrückkopplungs-Linearisierungssteuerung verwendet;
5 gemäß der vorliegenden Offenbarung ein beispielhaftes Steuersystem für eine Luftaufladung mit mehreren Variablen schematisch darstellt, das ein modellbasiertes Optimalwert-Steuerverfahren und ein PID-Rückkopplungssteuerverfahren verwendet;
6 gemäß der vorliegenden Offenbarung ein beispielhaftes Steuersystem für eine Luftaufladung mit mehreren Variablen schematisch darstellt, das ein modellbasiertes Optimalwert-Steuerverfahren und ein MPC-Rückkopplungssteuerverfahren verwendet;
7 gemäß der vorliegenden Offenbarung ein beispielhaftes Steuersystem für eine Luftaufladung mit mehreren Variablen schematisch darstellt, das ein modellbasiertes Optimalwert-Steuerverfahren und ein LQR-Rückkopplungssteuerverfahren verwendet; und
8 ein beispielhaftes Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Nun auf die Zeichnungen Bezug nehmend, in denen das Gezeigte nur zu dem Zweck dient, bestimmte beispielhafte Ausführungsformen darzustellen, und nicht zu dem Zweck, selbige einzuschränken, stellt 1 einen beispielhaften Verbrennungsmotor 10, ein beispielhaftes Steuermodul 5 und ein beispielhaftes Abgasnachbehandlungssystem 65 gemäß der vorliegenden Offenbarung schematisch dar. Der beispielhafte Motor umfasst einen Mehrzylinder-Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung und Kompressionszündung, der Hubkolben 22 aufweist, die mit einer Kurbelwelle 24 verbunden und in Zylindern 20 bewegbar sind, die Verbrennungskammern 34 mit variablem Volumen definieren. Die Kurbelwelle 24 ist funktional mit einem Fahrzeuggetriebe und einem Endantrieb verbunden, um in Ansprechen auf eine Drehmomentanforderung TO_REQ eines Bedieners ein Traktionsdrehmoment an diese zu liefern. Der Motor verwendet vorzugsweise einen Viertaktbetrieb, bei dem jeder Motor-Verbrennungszyklus 720 Grad einer Winkeldrehung der Kurbelwelle 24 aufgeteilt in vier Stufen von 180 Grad umfasst (Einlass-Kompression-Expansion-Auslass), welche die Hubbewegung des Kolbens 22 in dem Motorzylinder 20 beschreiben. Ein Targetrad 26 mit mehreren Zähnen ist an der Kurbelwelle angebracht und dreht sich mit dieser. Der Motor weist Sensoren zum Überwachen des Motorbetriebs und von Aktuatoren auf, die den Motorbetrieb steuern. Die Sensoren und Aktuatoren sind signaltechnisch oder funktional mit dem Steuermodul 5 verbunden.
Der Motor ist vorzugsweise ein Viertakt-Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung, der eine Verbrennungskammer mit variablem Volumen aufweist, die durch die Hubbewegung des Kolbens in dem Zylinder zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt sowie durch einen Zylinderkopf definiert ist, der ein Einlassventil und ein Auslassventil aufweist. Der Kolben führt in sich wiederholenden Zyklen eine Hubbewegung aus, wobei jeder Zyklus einen Einlass-, Kompressions-, Expansions- und Auslasstakt umfasst.
Der Motor weist vorzugsweise ein Luft/Kraftstoff-Betriebsregime auf, das hauptsächlich überstöchiometrisch ist. Ein Fachmann versteht, dass Aspekte der Offenbarung auf andere Motorkonfigurationen anwendbar sind, die entweder stöchiometrisch oder hauptsächlich überstöchiometrisch arbeiten, z. B. mager verbrennende Motoren mit Funkenzündung oder herkömmliche Benzinmotoren. Während des normalen Betriebs des Motors mit Kompressionszündung tritt ein Verbrennungsereignis während jedes Motorzyklus auf, wenn eine Kraftstoffladung in die Verbrennungskammer eingespritzt wird, um mit der Einlassluft die Zylinderladung zu bilden. Die Ladung wird anschließend während des Kompressionstakts durch die Wirkung der Kompression auf diese verbrannt.
Der Motor ist ausgebildet, um über einen breiten Bereich von Temperaturen, der Zylinderladung (Luft, Kraftstoff und AGR) und Einspritzungsereignissen zu arbeiten. Die hierin offenbarten Verfahren sind speziell für den Betrieb bei Motoren mit Kompressionszündung und Direkteinspritzung geeignet, die überstöchiometrisch arbeiten, um Parameter zu ermitteln, die mit der Wärmefreigabe in jeder der Verbrennungskammern während des laufenden Betriebs korrelieren. Die Verfahren sind ferner auf andere Motorkonfigurationen anwendbar, einschließlich von Motoren mit Funkenzündung, die solche umfassen, die zur Verwendung von Strategien mit homogener Kompressionszündung (HCCI-Strategien) ausgebildet sind. Die Verfahren sind auf Systeme anwendbar, die Kraftstoffeinspritzungsereignisse mit mehreren Pulsen pro Zylinder pro Motorzyklus verwenden, beispielsweise ein System, das eine Piloteinspritzung zur Kraftstoffreformierung, ein Haupt-Kraftstoffereignis für die Motorleistung und, wo dies anwendbar ist, ein Kraftstoffeinspritzungsereignis nach der Verbrennung für ein Nachbehandlungsmanagement verwendet, von welchen jede Einspritzung den Zylinderdruck beeinflusst.
Sensoren sind an oder in der Nähe des Motors installiert, um physikalische Eigenschaften zu überwachen und Signale zu erzeugen, die mit Motor- und Umgebungsparametern korrelierbar sind. Die Sensoren umfassen einen Kurbelwellen-Rotationssensor, der einen Kurbelsensor 44 zum Überwachen einer Kurbelwellendrehzahl (d. h. Motordrehzahl) (RPM) umfasst, indem Kanten an den Zähnen des Targetrads 26 mit mehreren Zähnen detektiert werden. Der Kurbelsensor ist bekannt, und er kann beispielsweise einen Halleffektsensor, einen induktiven Sensor oder einen magnetoresistiven Sensor umfassen. Die Signalausgabe von dem Kurbelsensor 44 wird in das Steuermodul 5 eingegeben. Ein Verbrennungsdrucksensor 30 ist ausgebildet, um einen Zylinderinnendruck zu überwachen (COMB_PR). Der Verbrennungsdrucksensor 30 ist vorzugsweise nicht eingreifend und umfasst einen Kraftaufnehmer mit einem ringförmigen Querschnitt, der ausgebildet ist, um in dem Zylinderkopf an einer Öffnung für eine Glühkerze 28 installied zu werden. Der Verbrennungsdrucksensor 30 ist in Verbindung mit der Glühkerze 28 installiert, wobei der Verbrennungsdruck mechanisch über die Glühkerze auf den Verbrennungsdrucksensor 30 übertragen wird. Das Ausgangssignal, COMB_PR, des Drucksensors 30 ist dem Zylinderdruck proportional. Der Drucksensor 30 umfasst eine Piezokeramik oder eine andere Einrichtung, die als solcher ausgebildet werden kann. Andere Sensoren umfassen vorzugsweise einen Krümmerdrucksensor zum Überwachen eines Krümmerdrucks (MAP) und eines barrometrischen Umgebungsdrucks (BARO), einen Luftmassenströmungssensor zum Überwachen einer Einlass-Luftmassenströmung (MAF) und einer Einlasslufttemperatur (T_IN) sowie einen Kühlmittelsensor 35, der eine Motorkühlmitteltemperatur (COOLANT) überwacht. Das System kann einen Abgassensor zum Überwachen von Zuständen eines oder mehrerer Abgasparameter umfassen, z. B. der Temperatur, des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses und der Zusammensetzungen. Ein Fachmann versteht, dass andere Sensoren und Verfahren zu Zwecken der Steuerung und Diagnose vorhanden sein können. Die Bedienereingabe wird typischerweise in der Form einer Drehmomentanforderung T_{O_REQ} des Bedieners durch ein Gaspedal und Bremspedal erhalten, neben anderen Einrichtungen. Der Motor ist vorzugsweise mit anderen Sensoren zum Überwachen des Betriebs und zu Zwecken der Systemsteuerung ausgestattet. Jeder der Sensoren ist signaltechnisch mit dem Steuermodul 5 verbunden, um Signalinformationen zu liefern, die durch das Steuermodul in Informationen umgewandelt werden, die für den entsprechenden überwachten Parameter repräsentativ sind. Es versteht sich, dass diese Konfiguration zur Darstellung dient und nicht einschränkend ist, was umfasst, dass die verschiedenen Sensoren durch funktional äquivalente Einrichtungen und Routinen ersetzbar sind.
Die Aktuatoren sind an dem Motor installiert und werden durch das Steuermodul 5 in Ansprechen auf Bedienereingaben gesteuert, um verschiedene Leistungsziele zu erreichen. Die Aktuatoren umfassen ein elektronisch gesteuertes Drosselventil, das eine Drosselöffnung in Ansprechen auf ein Steuersignal (ETC) steuert, und mehrere Kraftstoffeinspritzeinrichtungen 12, um Kraftstoff in Ansprechen auf ein Steuersignal (INJ_PW) in jede der Verbrennungskammern direkt einzuspritzen, wobei alle von diesen in Ansprechen auf die Drehmomentanforderung T_{O_REQ} des Bedieners gesteuert werden. Ein Abgasrückführungsventil 32 und ein Kühler steuern die Strömung einer äußeren Abgasrückführung zu dem Motoreinlass in Ansprechen auf ein Steuersignal (AGR) von dem Steuermodul. Eine Glühkerze 28 ist in jeder Verbrennungskammer installiert und zur Verwendung mit dem Verbrennungsdrucksensor 30 ausgebildet. Zusätzlich kann bei einigen Ausführungsformen ein Aufladungssystem verwendet werden, das Ladeluft gemäß einem Soll-Krümmerluftdruck zuführt.
Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 12 ist eine Hochdruck-Kraftstoffeinspritzeinrichtung, die ausgebildet ist, um eine Kraftstoffladung in Ansprechen auf das Befehlssignal INJ_PW von dem Steuermodul direkt in eine der Verbrennungskammer einzuspritzen. Jede der Kraftstoffeinspritzeinrichtungen 12 wird mit unter Druck stehendem Kraftstoff aus einem Kraftstoffverteilsystem versorgt und weist Betriebseigenschaften auf, die eine minimale Pulsweite und eine zugeordnete minimale steuerbare Kraftstoffströmungsrate sowie eine maximale Kraftstoffströmungsrate umfassen.
Der Motor kann mit einem steuerbaren Ventiltrieb ausgestattet sein, der dazu dient, das Öffnen und Schließen von Einlass- und Auslassventilen jedes der Zylinder einzustellen, einschließlich eines oder mehrerer von einer Ventilzeiteinstellung, einer Phaseneinstellung (d. h. einer zeitlichen Steuerung relativ zum Kurbelwinkel und zur Kolbenposition) und einer Größe eines Hubs der Ventilöffnungen. Ein beispielhaftes System umfasst eine variable Nockenphaseneinstellung, die bei Motoren mit Kompressionszündung, Motoren mit Funkenzündung und Motoren mit homogener Kompressionszündung anwendbar ist.
Das Steuermodul 5 führt Routinen aus, die in diesem gespeichert sind, um die zuvor erwähnten Aktuatoren zum Steuern des Motorbetriebs zu steuern, einschließlich der Drosselposition, der Kraftstoffeinspritzungsmasse und des Kraftstoffeinspritzungszeitpunkts, der AGR-Ventilposition zum Steuern der Strömung von zurückgeführten Abgasen, des Glühkerzenbetriebs und der Steuerung von Zeitpunkten, der Phaseneinstellung und des Hubs von Einlass- und/oder Auslassventilen bei Systemen, die derart ausgestattet sind. Das Steuermodul ist ausgebildet, um Eingangssignale von dem Bediener zu empfangen (z. B. eine Gaspedalposition und eine Bremspedalposition), um die Drehmomentanforderung T_{O_REQ} des Bedieners zu ermitteln, sowie von den Sensoren, welche die Motordrehzahl (RPM) und die Einlasslufttemperatur (Tin) sowie die Kühlmitteltemperatur und andere Umgebungsbedingungen angeben.
Steuermodul, Modul, Controller, Steuereinheit, Prozessor und ähnliche Ausdrücke bedeuten eine beliebige geeignete oder verschiedene Kombinationen eines anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreises (ASIC) oder mehrerer anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreise, eines elektronischen Schaltkreises oder mehrerer elektronischer Schaltkreise, einer zentrale Verarbeitungseinheit oder mehrerer zentraler Verarbeitungseinheiten (vorzugsweise ein Mikroprozessor bzw. Mikroprozessoren) und eines zugeordneten Speichers und einer zugeordneten Archivierung (Festwertspeicher, programmierbarer Festwertspeicher, Arbeitsspeicher, Festplatte usw.), die ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführen, eines Schaltkreises der Schaltungslogik oder mehrerer Schaltkreise der Schaltungslogik, einer oder mehrerer Eingabe/Ausgabe-Schaltung(en) und -Einrichtungen, geeigneter Signalkonditionierungs- und Pufferschaltungen sowie anderer geeigneter Komponenten, welche die gewünschte Funktionalität bereitstellen. Das Steuermodul weist einen Satz von Steuerroutinen auf, die residente Softwareprogrammanweisungen und Kalibrierungen, die in einem Speicher gespeichert sind, umfassen und ausgeführt werden, um die gewünschten Funktionen zu schaffen. Die Routinen werden vorzugsweise während voreingestellter Schleifenzyklen ausgeführt. Die Routinen werden beispielsweise von der zentralen Verarbeitungseinheit ausgeführt und dienen dazu, Eingaben von den Sensoren und anderen Steuermodulen im Netzwerk zu überwachen sowie Steuer- und Diagnoseroutinen auszuführen, um den Betrieb von Aktuatoren zu steuern. Die Schleifenzyklen können während des laufenden Motor- und Fahrzeugbetriebs in regelmäßigen Intervallen ausgeführt werden, beispielsweise jede 3,125, 6,25, 12,5, 25 und 100 Millisekunden. Alternativ können die Routinen in Ansprechen auf ein Auftreten eines Ereignisses ausgeführt werden.
1 stellt einen beispielhaften Dieselmotor dar, die vorliegende Offenbarung kann jedoch bei anderen Motorkonfigurationen verwendet werden, die beispielsweise Motoren, die mit Benzinkraftstoff versorgt werden, Motoren, die mit Ethanol oder E85-Kraftstoff versorgt werden oder ähnliche bekannte Konstruktionen umfassen. Die Offenbarung soll nicht auf die speziellen beispielhaften Ausführungsformen beschränkt sein, die hierin beschrieben sind.
2 stellt gemäß der vorliegenden Offenbarung eine beispielhafte Motorkonfiguration schematisch dar, welche einen Turbolader aufweist. Der beispielhafte Motor ist ein Mehrzylindermotor und umfasst einen Vielzahl von Typen zur Kraftstoffzufuhr und eine Vielzahl von Verbrennungsstrategien, die in der Technik bekannt sind. Die Motorsystemkomponenten umfassen einen Einlassluftkompressor 40, der eine Turbine 46 und einen Luftkompressor 45 aufweist, ein Luftdrosselventil 136, einen Ladeluftkühler 142, ein AGR-Ventil 132 und einen AGR-Kühler 152, einen Einlasskrümmer 50 und einen Auslasskrümmer 60. Einlassluft aus der Umgebung wird durch einen Einlass 171 in den Kompressor 45 angesaugt. Die unter Druck gesetzte Einlassluft und die AGR-Strömung werden zur Verwendung in dem Motor 10 zu dem Einlasskrümmer 50 zugeführt. Eine Abgasströmung tritt über den Auslasskrümmer 60 aus dem Motor 10 aus, treibt die Turbine 46 an und tritt durch ein Abgasrohr 170 aus. Das dargestellte AGR-System ist ein Hochdruck-AGR-System, das ein unter Druck stehendes Abgas aus dem Auslasskrümmer 60 an den Einlasskrümmer 50 liefert. Eine alternative Konfiguration, ein Niederdruck-AGR-System, kann dem Einlass 171 ein Abgas bei niedrigem Druck aus dem Abgasrohr 170 zuführen. Sensoren sind an dem Motor installiert, um physikalische Eigenschaften zu überwachen und um Signale zu erzeugen, die mit Motor- und Umgebungsparametern korrelierbar sind. Die Sensoren umfassen vorzugsweise einen Umgebungsluftdrucksensor 112, einen Umgebungs- oder Einlassluft-Temperatursensor 114 und einen Luftmassenströmungssensor 116 (die alle einzeln oder als eine einzige integrierte Einrichtung ausgebildet sein können), einen Einlasskrümmer-Lufttemperatursensor 118, einen MAP-Sensor 120, einen Abgas-Temperatursensor 124, einen Luftdrosselventil-Positionssensor 134 und einen AGR-Ventil-Positionssensor 130 sowie einen Turbinenschaufel-Positionssensor 138. Ein Motordrehzahlsensor 44 überwacht die Drehzahl des Motors. Jeder der Sensoren ist signaltechnisch mit dem Steuermodul 5 verbunden, um Signalinformationen bereitzustellen, die durch das Steuermodul 5 in Informationen umgewandelt werden, die den entsprechenden überwachten Parameter repräsentieren. Es versteht sich, dass diese Konfiguration nur zur Darstellung dient und nicht einschränkend ist, was umfasst, dass verschiedene Sensoren durch funktional äquivalente Einrichtungen und Routinen ersetzbar sind und weiterhin in den Umfang der Offenbarung fallen. Darüber hinaus kann der Einlassluftkompressor 40 innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung alternative Turboladerkonfigurationen umfassen.
Der Einlassluftkompressor 40 umfasst einen Turbolader, der einen Luftkompressor 45 aufweist, welcher in der Einlassluft des Motors angeordnet ist und durch die Turbine 46 angetrieben wird, die in der Abgasströmung angeordnet ist. Die Turbine 46 kann eine Anzahl von Ausführungsformen umfassen, einschließlich einer Einrichtung mit festen Schaufelausrichtungen oder mit variablen Schaufelausrichtungen. Ferner kann ein Turbolader als eine einzelne Einrichtung verwendet, oder es können mehrere Turbolader verwendet werden, um dem gleichen Motor Ladeluft zuzuführen.
3 stellt gemäß der vorliegenden Offenbarung eine beispielhafte Motorkonfiguration schematisch dar, die einen Turbokompressor aufweist. Der beispielhafte Motor ist ein Mehrzylindermotor und umfasst eine Vielzahl von Typen zur Kraftstoffzufuhr und eine Vielzahl von Verbrennungsstrategien, die in der Technik bekannt sind. Die Motorsystemkomponenten umfassen einen Turbokompressor 160, der einen Luftkompressor 45 und ein durch einen Riemen angetriebenes Rad 164 aufweist, einen Ladeluftkühler 142, ein AGR-Ventil 132 und einen AGR-Kühler 152, einen Einlasskrümmer 50 sowie einen Auslasskrümmer 60. Der Motor 10 weist ein angetriebenes Rad 162 auf, das Energie auf den Riemen 166 überträgt und das durch den Riemen angetriebene Rad 164 antreibt. Der beispielhafte Riemen 166 kann eine Konfiguration aufweisen, die in der Technik als ein Serpentinenriemen bekannt ist. Die beispielhaften Konfigurationen umfassen, dass der Riemen 166 den Turbokompressor 160 und andere Nebenaggregate, wie beispielsweise eine Lichtmaschine oder einen Klimaanlagenkompressor, gleichzeitig antreibt. Sensoren sind an dem Motor installiert, um physikalische Eigenschaften zu überwachen und um Signale zu erzeugen, die mit Motor- und Umgebungsparametern korrelierbar sind. Die Sensoren umfassen vorzugsweise einen Umgebungsluftdrucksensor 112, einen Umgebungs- oder Einlassluft-Temperatursensor 114 und einen Luftmassenströmungssensor 116 (die alle einzeln oder als eine einzige integrierte Einrichtung ausgebildet sein können), einen Einlasskrümmer-Lufttemperatursensor 118, einen MAP-Sensor 120, einen Abgastemperatursensor 124 sowie einen AGR-Ventilpositionssensor 130. Das beispielhafte AGR-Ventil 130 und der beispielhafte AGR-Kühler 152 stellen einen Pfad für die AGR-Strömung bereit, so dass diese stromaufwärts des Turbokompressors 160 in das Einlasssystem eintritt. Bei anderen Konfigurationen kann die AGR-Strömung stromabwärts des Turbokompressors 160 in das Einlasssystem eintreten, obwohl einzusehen ist, dass der hohe Druck stromabwärts des Turbokompressors die Bedingungen einschränken kann, unter denen die AGR-Strömung bei dieser Konfiguration effektiv in den Einlass eintritt. Ein Motordrehzahlsensor 44 überwacht die Drehzahl des Motors. Jeder der Sensoren ist signaltechnisch mit dem Steuermodul 5 verbunden, um Signalinformationen bereitzustellen, die durch das Steuermodul 5 in Informationen umgewandelt werden, die den entsprechenden überwachten Parameter repräsentieren. Es versteht sich, dass diese Konfiguration nur zur Darstellung dient und nicht einschränkend ist, was umfasst, dass verschiedene Sensoren durch funktional äquivalente Einrichtungen und Routinen ersetzbar sind und weiterhin in den Umfang der Offenbarung fallen. Der Turbokompressor 160 kann verwendet werden, um einem Motor 160 Ladeluft zuzuführen, oder es kann der Turbokompressor 160 in Zusammenarbeit mit einem Turbolader verwendet werden, um einem Motor Ladeluft zuzuführen.
Turbolader mit variabler Geometrie (VGT) ermöglichen eine Steuerung dessen, wie stark die Einlassluft komprimiert wird. Ein Steuersignal kann den Betrieb des VGT modulieren, indem beispielsweise ein Winkel der Schaufeln in dem Kompressor und/oder der Turbine moduliert wird. Eine solche beispielhafte Modulation kann den Winkel solcher Schaufeln verringern, wodurch die Kompression der Einlassluft verringert wird, der den Winkel solcher Schaufeln erhöhen, wodurch die Kompression der Einlassluft erhöht wird. VGT-Systeme ermöglichen, dass ein Steuermodul ein Niveau für den Ladedruck auswählt, der dem Motor zugeführt wird. Andere Verfahren zum Steuern einer variablen Turboladerausgabe, die beispielsweise ein Ladedruck-Regelventil oder ein Bypassventil umfassen, können auf ähnliche Weise an einem VGT-System implementiert werden, und die Offenbarung soll nicht auf die speziellen beispielhaften Ausführungsformen beschränkt sein, die hierin offenbart sind, um den Ladedruck zu steuern, der dem Motor zugeführt wird.
Beispielhafte Dieselmotoren sind mit Common-Rail-Einspritzungssystemen, AGR-Systemen und VGT-Systemen ausgestattet. Die Abgasrückführung wird verwendet, um die Verbrennungsflammentemperatur steuerbar zu verringern und um die NOx-Emissionen zu reduzieren. Die VGT-Systeme werden verwendet, um Ladedrücke zum Steuern eines Krümmerluftdrucks und zum Erhöhen der Motorausgabe zu modulieren. Um eine Motorsteuerung zu schaffen, die eine Steuerung des AGR- und des VGT-Systems umfasst, kann ein Luftaufladungs-Steuermodul mit mehreren Eingängen und mehreren Ausgängen (Luftaufladungs-MIMO-Modul) verwendet werden. Ein MIMO-Modul ermöglicht eine computertechnisch effiziente und abgestimmte Steuerung der AGR und des VGT basierend auf einem einzigen Satz von Eingaben, die den gewünschten Motorbetrieb beschreiben. Eine solche Eingabe kann beispielsweise einen Betriebspunkt für den Motor umfassen, der eine Motordrehzahl und eine Motorlast beschreibt. Es ist einzusehen, dass andere Parameter als Eingabe verwendet werden können, die beispielsweise Druckmesswerte umfassen, die eine Motorlast angeben.
Eine gekoppelte MIMO-Steuerung sowohl der AGR als auch des VGT oder das Steuern einer festgelegten Antwort sowohl der AGR als auch des VGT basierend auf einer beliebigen gegebenen Eingabe ist computertechnisch effizient und kann komplexe Steuerungsantworten auf sich ändernde Eingaben ermöglichen, die basierend auf einer unabhängigen Steuerung der AGR und des VGT computertechnisch nicht in Echtzeit möglich sein können. Die gekoppelte Steuerung der AGR und des VGT, die festgelegte Antworten beider Parameter auf eine beliebige gegebene Eingabe umfasst, erfordert jedoch vereinfachte oder am besten angepasste Kalibrierungen der gekoppelten Steuerungen, um die beiden festgelegten Antworten zu steuern. Infolgedessen können solche Kalibrierungen eine Herausforderung sein, und sie können basierend auf den vereinfachten ausgewählten Steuerungskalibrierungen eine weniger als optimale Motorleistung umfassen. Die AGR und der VGT können beispielsweise auf unterschiedliche Weise optimal auf eine Änderungsrate in der Last oder in den Motortemperaturen reagieren. Zusätzlich kann die Steuerung der AGR oder des VGT Grenzbedingungen erreichen und zu einer Aktuatorsättigung führen. Eine gekoppelte Steuerung, die zu einer Aktuatorsättigung führt, kann einen Zustand bewirken, der in der Technik als Aufschaukeln bekannt ist, wobei das erwartete Verhalten des Systems und die gewünschte Steuerung des Systems auseinanderlaufen und sogar dann zu Steuerungsfehlern führen, nachdem die Aktuatorsättigung behoben wurde. Zusätzlich ist die Steuerung der AGR und des VGT durch ein MIMO-Modul nichtlinear, und das Definieren der gekoppelten funktionalen Beziehungen, um die Soll-Steuerungsausgaben bereitzustellen, erfordert eine intensive Kalibrierungsarbeit.
VGT-Anweisungen sind eine Möglichkeit, um einen Ladedruck zu steuern. Es können jedoch andere Anweisungen, die den Ladedruck steuern, wie beispielsweise eine Ladedruckanweisung oder eine Krümmerluftdruckanweisung, auf ähnliche Weise anstelle von VGT-Anweisungen verwendet werden.
Die Motorkonfiguration, wie etwa die beispielhafte Motorkonfiguration mit einem Turbolader, wie sie schematisch in 2 gezeigt ist, kann durch ein mathematisches Modell repräsentiert werden. Eine modellbasierte, nichtlineare Steuerung kann angewendet werden, um gewünschte Luft- und Aufladungszielwerte in eine einzelne Strömung oder eine einzelne Leistung für jeden Aktuator umzuformen, wie beispielsweise in eine Abgasrückführungsströmung, eine Einlassluftströmung und eine Turbinenleistung. Eine Aktuatorposition für jedes von dem AGR-Ventil, dem Luftdrosselventil und der VGT-Steuerung kann basierend auf den einzelnen Strömungs- oder Leistungswerten eindeutig ermittelt werden, was zusätzlich zu einem entkoppelten und nahezu linearisierten System für eine Rückkopplungssteuerung führt. Ein Verfahren zum Steuern eines Motors, der eine AGR-, eine Luftdrossel- und eine Luftaufladungssteuerung aufweist, umfasst, dass eine auf einem physikalischen Modell basierende Optimalwertsteuerung oder eine Rückkopplungs-Linearisierungssteuerung verwendet wird, um die Steuerungen eines Systems mit mehreren Variablen zu entkoppeln.
Ein beispielhaftes Systemmodell für die modellbasierte, nichtlineare Steuerung kann durch eine nichtlineare Differentialgleichung ausgedrückt werden, wie sie in der folgenden Beziehung dargelegt ist. y . = F(y) + Bu [1]
Die MIMO-Optimalwertsteuerung, die in dem beispielhaften Systemmodell, das vorstehend beschrieben ist, auf die Eingaben u angewendet wird, kann durch die folgende Beziehung ausgedrückt werden. u = –B^–1F(y) + B^–1ν [2]
Der Term –B^–1F(y) drückt die Rückkopplungslinearisierung des Systems aus, wenn y ein gemessener oder geschätzter Ist-Parameter des Systems ist, oder er drückt die Optimalwertsteuerung des Systems aus, wenn y durch seine Soll-Referenzanweisung, die verfolgt verwendet soll, ersetzt wird. Der Rückkopplungscontroller ν kann Verfahren mit Proportional-Integral-Ableitungs-Rückkopplungssteuerung (PID-Rückkopplungssteuerung), Rückkopplungssteuerverfahren mit linearem quadratischem Regler (LQR-Rückkopplungssteuerverfahren) oder Rückkopplungssteuerverfahren mit Modellvoraussagesteuerung (MPC) verwenden, wobei ein Zeitplan mit minimalen Verstärkungen erforderlich ist. Der Ausgabevektor y . des Systems mit mehreren Variablen kann in ein lineares SISO-Rückkopplungssystem entkoppelt werden, wie dies durch die nachfolgende Beziehung ausgedrückt ist.
Der Eingabevektor u wird in das Systemmodell eingegeben, das eine modellbasierte Optimalwertsteuerung mit mehreren Variablen anwendet, um Nachschlagetabelle zu ersetzen, und das zusätzlich eine Rückkopplungssteuerung anwendet, um eine Nachverfolgung gegenüber nicht modellierten Unsicherheiten zu verbessern. Der Ausgabevektor y . wird anschließend in einen linearen SISO-Rückkopplungsvektor ν entkoppelt.
Ein erstes beispielhaftes, auf der Physik basierendes Luft- und Aufladungssystemmodell der beispielhaften Motorkonfiguration mit einem Turbolader, wie sie schematisch in 2 dargestellt ist, wird gemäß den Basis-Systemmodellbeziehungen [1], [2] und [3], die vorstehend dargelegt sind, durch den nachfolgenden Satz von Beziehungen ausgedrückt.
Ein zweites alternatives und beispielhaftes, auf der Physik basierendes Luft- und Aufladungssystemmodell der beispielhaften Motorkonfiguration mit einem Turbolader, wie sie schematisch in 2 dargestellt ist, kann wiederum gemäß den Basis-Systemmodellbeziehungen [1], [2] und [3], die vorstehend dargelegt sind, durch den nachfolgenden Satz von Beziehungen ausgedrückt werden:
Bei jedem dieser alternativen Modelle mit drei Zuständen, wie sie in den entsprechenden Sätzen von Beziehungen ([4], [5], [6]) oder ([7], [8], [9]) dargelegt sind, ist zu erkennen, dass die Beziehungen [5] und [8] äquivalent sind und dass die Beziehungen [6] und [9] äquivalent sind, wobei:

p_i: der Motoreinlassdruck in dem Einlasskrümmer ist,
R: die universelle Gaskonstante ist, die in der Technik bekannt ist,
T_im: die Einlasskrümmertemperatur ist,
V_i: das Einlasskrümmervolumen ist,
W_itv: die Luftdrosselventilströmung (Luftströmung) ist,
W_egr: die Strömung durch das AGR-System ist,
W_e(p_i): die Gesamtladung in dem Motorzylinder ist,
F_i: der verbrannte Gasanteil in dem Einlasskrümmer ist,
F_x: der verbrannte Gasanteil in dem Auslasskrümmer ist, und
m_i: die Masse in dem Einlasskrümmer ist.

W_e(p_i) kann durch die folgende Beziehung ausgedrückt werden:
wobei N die Motordrehzahl ist,

D: der Motorhubraum ist,
η: die volumetrische Effizienz des Motors ist und
T_i: die Einlasstemperatur ist.

Bei jedem der zwei alternativen Modelle, die in den entsprechenden Sätzen von Beziehungen ([4],[5], [6]) oder ([7], [8], [9]) dargelegt sind, ist außerdem zu erkennen, dass die Beziehungen [4] und [7] verschieden sind, wobei bezogen auf die Beziehung [4]:

p_rc das Kompressordruckverhältnis ist, das als p_{c_ds}/p_a ausgedrückt wird, wobei p_{c_ds} der Druck stromabwärts des Kompressors ist (d. h. der Ladedruck) und p_a der Umgebungsdruck ist,
c eine Konstante ist, die basierend auf der Beziehung zwischen dem Kompressordruckverhältnis und dem Quadrat der Turboladerdrehzahl ermittelt wird,
P_c die Leistung ist, die durch den Kompressor bereitgestellt wird,
die Luftdrosselventilströmung (W_itv) ist, die mit der Umgebungstemperatur (T_a) und dem Umgebungsdruck (p_a) korrigiert ist, J(W ._itv, W_itv) die Trägheitswirkung der Turboladerwelle ist, welche die Turbine mit dem Kompressor verbindet,
P_t die Turbinenleistung ist, und wobei bezogen auf die Beziehung [7]:
p_{c_ds}der Druck stromabwärts des Kompressors ist,
ceine Konstante ist, die basierend auf der Beziehung zwischen dem Kompressordruckverhältnis und dem Quadrat der Turboladerdrehzahl ermittelt wird,
T_{c_ds}die Temperatur stromabwärts des Kompressors ist,
T_{c_us}die Temperatur stromaufwärts des Kompressors ist,
W_cdie Strömung aus dem Kompressor ist,
V_intdas Volumen des Einlasskrümmers ist,
R_tdie Turbinenleistungs-Übertragungsrate ist, und
R_cdas Kompressorleistungs-Erhöhungsverhältnis ist.

Eine Strömung durch ein AGR-System kann modelliert werden, um die Strömung basierend auf einer Anzahl bekannter Eingaben zu schätzen. Die Strömung durch das AGR-System kann als eine Strömung durch eine Öffnung modelliert werden, wobei die Öffnung hauptsächlich ein AGR-Ventil oder eine Öffnung oder Venturidüse für eine spezielle Konstruktion umfasst. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform kann die AGR-Strömug W_egr gemäß der nachfolgenden Öffnungs-Strömungsbeziehung modelliert werden.
wobei PR ein Druckverhältnis oder ein Verhältnis des Einlassdrucks oder des Drucks P_i der Ladeluft in dem Einlasssystem an dem Auslass des AGR-Systems zu dem Abgasdruck oder Druck P_x in dem Abgassystem an dem Auslass des AGR-Systems stromaufwärts des Aufladungssystems ist, T_egr die Temperatur des Abgases oder eine Abgastemperatur an dem Einlass das AGR-Systems angeben kann; gemäß einer Ausführungsform kann T_egr als eine Ausgangstemperatur des AGR-Kühlers gemessen werden, A_egr die effektive Strömungsfläche des AGR-Systems ist, R die universelle Gaskonstante ist, die in der Technik bekannt ist.
Ein kritisches Druckverhältnis PR_c kann durch die folgende Beziehung ausgedrückt werden:
wobei γ ein Verhältnis der spezifischen Wärme ist, das in der Technik bekannt ist. Wenn PR größer als PR_c ist, dann ist die Strömung eine Strömung im Infraschallbereich. Wenn PR kleiner als oder gleich PR_c ist, dann ist die Strömung gedrosselt. ψ (PR) ist eine nichtlineare Funktion und kann durch die folgende Beziehung ausgedrückt werden.
A_egr kann als eine Funktion der AGR-Ventilposition x_egr ausgedrückt werden. Basierend auf einer detaillierten Modellierung und experimentellen Daten, welche eine Ermittlung des Wärmeverlustes über die Wände des Systems umfassen, kann jedoch eine genauere Schätzung für A_egr als eine Funktion von x_egr und PR ausgedrückt werden, welche Schätzung durch die folgende Beziehung ausgedrückt werden kann. A_egr = A_egr(x_egr, PR) [14]
Die vorstehende Beziehung nimmt an, dass das AGR-System einen Auslass stromabwärts des Kompressors des Aufladungssystems und einen Einlass stromaufwärts der Turboeinheit oder Turbine des Aufladungssystems aufweist. Es ist einzusehen, dass eine andere Ausführungsform mit einem AGR-System verwendet werden kann, das einen Auslass stromaufwärts des Kompressors des Aufladungssystems und einen Einlass stromabwärts der Turboeinheit oder der Turbine des Aufladungssystems oder in dem Abgassystem eines Fahrzeugs aufweist, das einen Turbokompressor ohne eine Turbine verwendet. Es ist einzusehen, dass die vorstehenden Beziehungen und das dazugehörende inverse Strömungsmodell zur Verwendung mit einer Anzahl beispielhafter AGR- und Aufladungssystemkonfigurationen modifiziert werden können und dass die Offenbarung nicht auf die speziellen beispielhaften Ausführungsformen, die hierin offenbart sind, beschränkt sein soll.
4 stellt gemäß der vorliegenden Offenbarung ein beispielhaftes nichtlineares Luftaufladungssteuersystem mit mehreren Variablen schematisch dar, das eine Zustandsrückkopplungs-Linearisierungssteuerung 400 verwendet. Ein Luftaufladungssystem 404 empfängt Anweisungen und erzeugt Ausgaben. Es ist eine Anzahl von Modulen und Steuerstrategien gezeigt, welche die Anweisungen entwickeln, und sie umfassen das Zustandsvariablen-Beobachtungsmodul 403, die lineare Steuerstrategie 401, die Rückkopplungssteuermodule 405, 406 und 407 umfasst, und die nichtlineare Steuerstrategie 402. Soll-Betriebsparameterpunkte, welche ein Soll-Kompressordruckverhältnis p_{rc_des} 420, einen Soll-Einlasssauerstoffanteil O_{2_des} 421 im Einlasskrümmer und einen Soll-Einlasskrümmerdruck p_{i_des} 422 umfassen, werden mit jeweiligen Rückkopplungssignalen 439, 438 und 437 verglichen, die entweder anhand direkter Sensormesswerte oder durch das Zustandsvariablen-Beobachtungsmodul 403 basierend auf den Ist-Betriebsparametern des Luftaufladungssystems 404 ermittelt werden. Diese Betriebsparameter können beispielsweise den Einlasskrümmerdruck 432, die Einlasskrümmertemperatur 433, die Luftmasse 434, den Umgebungsdruck 435 und die Umgebungstemperatur 436 umfassen. Die Parameter des Luftaufladungssystems können durch Sensoren überwacht oder alternativ durch das Zustandsvariablen-Beobachtungsmodul 403 geschätzt werden, wenn kein Sensor vorhanden ist. Die Rückkopplungssignale beschreiben das Ist-Kompressordruckverhältnis p_rc 439, den Ist-Sauerstoffanteil O₂ 438 im Einlasskrümmer und den Ist-Einlasskrümmerdruck p_i 437. Der Vergleich der Soll-Betriebsparameter und der jeweiligen Ist-Betriebsparameter ermittelt Abweichungsterme für jeden Parameter, die einen Kompressordruckverhältnis-Abweichungsterm 446, einen Abweichungsterm 447 für den O₂ im Einlasskrümmer und einen Einlasskrümmerdruck-Abweichungsterm 448 umfassen. Diese Abweichungsterme werden anschließend in die Rückkopplungssteuermodule 405, 406 und 407 der linearen Steuerstrategie 401 eingegeben. Das Rückkopplungssteuerverfahren, das durch jedes der Rückkopplungssteuermodule 405, 406 und 407 implementiert wird, ermittelt Rückkopplungssteuersignale v₁ 423, v₂ 424 und v₃ 425. Die Rückkopplungssteuersignale 423, 424 und 425 und auch die Rückkopplungssignale 439, 438 und 437 werden in die nichtlineare Steuerstrategie 402 eingegeben. Diese Signale werden bei der Berechnung der entsprechenden Luftdrosselventilströmung W_itv 426, AGR-Strömung W_egr 427 und Turbinenleistungs-Übertragungsrate R_t 428 an den Punkten 408, 409 und 410 verwendet. Die Berechnungen zum Ermitteln dieser Werte können durch die folgenden Beziehungen ausgedrückt werden:
wobei r_air die Rate der Frischluft bezogen auf die gesamte Zylinderladung ist und r_egr die Rate der AGR bezogen auf die gesamte Zylinderladung ist. Die Luftdrosselventilströmung 426, die AGR-Strömung 427 und die Turbinenleistungs-Übertragungsrate 428 werden anschließend in Systemsteueranweisungen umgewandelt, die eine Luftdrosselventilanweisung u_itv 429, eine AGR-Ventilanweisung u_egr 430 und eine VGT-Anweisung u_vgt 431 umfassen. Die Luftdrosselventilanweisung 429, die AGR-Ventilanweisung 430 und die VGT-Anweisung 431 werden anschließend verwendet, um das Luftaufladungssystem 404 zu steuern. Die Umwandlung der Luftströmung 426, der AGR-Strömung 427 und der Turbinenleistungs-Übertragungsrate 428 in die Systemsteueranweisungen kann durch die Verwendung eines inversen Strömungsmodells oder einer Umkehrung eines physikalischen Modells eines Systems erreicht werden.
Ein inverses Strömungsmodell oder eine Umkehrung eines physikalischen Modells eines Systems kann bei der Ermittlung von Einstellungen verwendbar sein, die zum Erreichen einer Soll-Strömung durch eine Öffnung in dem System erforderlich sind. Die Strömung durch ein System kann als eine Funktion einer Druckdifferenz über das System und einer Strömungsbeschränkung in dem System modelliert werden. Bekannte oder ermittelbare Terme können ersetzt werden, und die funktionalen Beziehungen können verändert werden, um ein inverses Strömungsmodell des Systems zum Ermitteln einer Soll-Systemeinstellung verwendbar zu machen, um eine Soll-Strömung zu erreichen. Beispielhafte Verfahren, die hierin offenbart sind, verwenden eine erste Eingabe einer effektiven Strömungsfläche oder einer Strömungsbeschränkung für das System, das modelliert werden soll, und eine zweite Eingabe, die einen Druckwert des Drucks, der die Strömung durch das System bewegt, für das System umfasst. Ein beispielhaftes Verfahren der entkoppelten Optimalwertsteuerung eines AGR-Ventils kann umfassen, dass ein inverses Strömungsmodell des Systems verwendet wird, das in einem gemischten Polynom verkörpert ist, welches auf dem inversen Modell und kalibrierten Termen basiert. Ein anderes beispielhaftes Verfahren der entkoppelten Optimalwertsteuerung eines AGR-Ventils kann umfassen, dass ein auf Dimensionstabellen basierender Ansatz verwendet wird. Ein anderes beispielhaftes Verfahren der entkoppelten Optimalwertsteuerung eines AGR-Ventils kann umfassen, dass ein Modell mit einer exponentiellen Mehrfachanpassung verwendet wird. Ein beispielhaftes Verfahren der entkoppelten Optimalwertsteuerung der Luftdrossel kann eine Umkehrung des physikalischen Modells des Systems, einen Dimensionstabellenansatz oder ein Modell mit exponentieller Mehrfachanpassung verwenden. Ein beispielhaftes Verfahren der entkoppelten Optimalwertsteuerung eines Aufladungssystems, wie beispielsweise eines Turboladers, der mit einem VGT ausgestattet ist, kann eine Umkehrung des physikalischen Modells des Systems, einen Dimensionstabellenansatz oder ein Modell mit exponentieller Mehrfachanpassung verwenden.
Diese Verfahren können einzeln oder in Kombination verwendet werden, und es können unterschiedliche Verfahren für das gleiche System bei unterschiedlichen Bedingungen oder in unterschiedlichen Betriebsbereichen verwendet werden. Ein Steuerverfahren kann ein inverses Strömungsmodell verwenden, um eine Optimalwert-Steueranweisung für eine erste Auswahl zu ermitteln, welche den AGR-Kreislauf, das Luftdrosselsystem oder das Aufladungssystem umfasst. Das Steuerverfahren kann zusätzlich ein zweites inverses Strömungsmodell verwenden, um eine zweite Optimalwert-Steueranweisung für eine zweite Auswahl zu ermitteln, die ein anderes von dem AGR-Kreislauf, dem Luftdrosselsystem und dem Aufladungssystem umfasst. Das Steuerverfahren kann zusätzlich ein drittes inverses Strömungsmodell verwenden, um eine dritte Optimalwert-Steueranweisung für eine dritte Auswahl zu ermitteln, die ein anderes von dem AGR-Kreislauf, dem Luftsteuersystem und dem Aufladungssystem umfasst. Auf diese Weise kann ein Steuerverfahren ein beliebiges oder alle von dem AGR-Kreislauf, dem Luftsteuersystem und dem Aufladungssystem steuern.
Ein Verfahren zum Steuern der AGR-Strömung durch ein inverses Steuerverfahren gemäß einem inversen Modell der AGR-Strömung ist in der ebenfalls anhängigen Anmeldung mit der Nummer 12/982,994 offenbart, die dem gleichen Rechtsinhaber gehört wie die vorliegende Anmeldung, der Offenlegungsschrift US 2012-0173118 A1 entspricht und hierin durch Bezugnahme eingebunden ist.
Die Rückkopplungssteuermodule 405, 406 und 407 der linearen Steuerstrategie 401 ermitteln die Rückkopplungssteueranweisungen 423, 424 und 425 unter Verwendung von Rückkopplungssteuerverfahren. Die beispielhaften Rückkopplungssteuerverfahren, die durch die Rückkopplungssteuermodule von 4 verwendet werden, können eine PID-Steuerung und als Eingaben den Kompressordruckverhältnis-Abweichungsterm 446, den Abweichungsterm 447 für die Luft im Krümmer und den Ladedruck-Abweichungsterm 448 umfassen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform können die PID-Steuermodule 405, 406 und 407 einzeln ausgestaltet sein, um entkoppelte Rückkopplungssteuersignale auszugeben.
5 stellt gemäß der vorliegenden Offenbarung ein beispielhaftes Luftaufladungs-Steuersystem mit mehreren Variablen schematisch dar, das eine modellbasierte Optimalwertsteuerung 500 und PID-Rückkopplungssteuerverfahren verwendet. Das Luftaufiadungssystem 504 empfängt Anweisungen und erzeugt Ausgaben. Es ist eine Anzahl von Modulen und Steuerstrategien dargestellt, welche die Anweisungen entwickeln, und sie umfassen das Zustandsvariablen-Beobachtungsmodul 503, die lineare Steuerstrategie 501, die Rückkopplungssteuermodule 505, 506 und 507 umfasst, und die nichtlineare Steuerstrategie 502. Soll-Betriebsparameterpunkte, die ein Soll-Kompressordruckverhältnis p_{rc_des} 522, einen Soll-Anteil F_i 521 des verbrannten Gases und einen Soll-Einlasskrümmerdruck p_{i_des} 520 umfassen, werden mit jeweiligen Rückkopplungssignalen 537, 538 und 539 verglichen, die entweder anhand direkter Sensormesswerte oder durch das Zustandsvariablen-Beobachtungsmodul 503 basierend auf den Ist-Betriebsparametern des Luftaufladungssystems 504 ermittelt werden. Die Betriebsparameter können beispielsweise den Einlasskrümmerdruck 532, die Einlasskrümmertemperatur 533, die Luftmasse 534, den Umgebungsdruck 535 und die Umgebungstemperatur 536 umfassen. Die Parameter des Luftaufladungssystems können durch Sensoren überwacht oder alternativ durch das Zustandsvariablen-Beobachtungsmodul 503 geschätzt werden. Beispielhafte geschätzte Parameter des Luftaufladungssystems können das Ist-Kompressordruckverhältnis und den Ist-Auslasskrümmerdruck umfassen. Die überwachten und geschätzten Betriebsparameter des Systems können verwendet werden, um Rückkopplungssignale zu ermitteln. Die Rückkopplungssignale beschreiben das Ist-Kompressordruckverhältnis 537, den Ist-Anteil 538 des verbrannten Gases und den Ist-Einlasskrümmerdruck 539. Der Vergleich der Soll-Betriebsparameter mit den jeweiligen Ist-Betriebsparametern ermittelt Abweichungsterme für jeden Parameter, die einen Einlasskrümmerdruck-Abweichungsterm 546, einen Abweichungsterm 547 für den verbrannten Gasanteil und einen Kompressordruckverhältnis-Abweichungsterm 548 umfassen. Diese Abweichungsterme werden anschließend in die Rückkopplungssteuermodule 505, 506 und 507 der linearen Steuerstrategie 501 eingegeben. Das PID-Rückkopplungssteuerverfahren, das durch jedes von den Rückkopplungssteuermodulen 505, 506 und 507 implementiert wird, ermittelt Rückkopplungssteuersignale v₁ 523, v₂ 524 und v₃ 525. Soll-Betriebsparameterpunkte, die das Soll-Kompressordruckverhältnis p_{rc_des} 522, den Soll-Anteil F_i 521 des verbrannten Gases und den Soll-Einlasskrümmerdruck p_i des 520 umfassen, werden zusätzlich in ein Optimalwertsteuerungsmodul 514 eingegeben, und Optimalwertsignale, die ein Einlasskrümmer-Optimalwertsignal 543, ein Optimalwertsignal 544 für den verbrannten Gasanteil und ein Kompressordruckverhältnis-Optimalwertsignal 545 umfassen, werden ausgegeben. Die Berechnungen zum Ermitteln dieser Optimalwertsignale können durch die folgenden Beziehungen ausgedrückt werden.
Die Rückkopplungssteuersignale 523, 524 und 525 und auch die Optimalwertsignale 543, 544 und 545 werden in eine Entkopplungsstrategie 502 eingegeben. Diese Signale werden jeweils bei der Berechnung der Luftdrosselventilströmung W_itv 526, der AGR-Strömung W_egr 527 und der Turbinenleistungs-Übertragungsrate R_t 528 an den Punkten 508, 509 und 510 basierend auf den Beziehungen [17] und [18] verwendet. Das Verfahren zum Verwenden eines inversen Strömungsmodells oder einer Umkehrung eines physikalischen Modells eines Systems, um die erforderlichen Einstellungen zum Erreichen einer Soll-Strömung durch eine Öffnung in dem System zu ermitteln, wie es unter Bezugnahme auf 4 erläutert wurde, wird wiederum angewendet, um die Luftströmung 526, die AGR-Strömung 527 und die Turbinenleistung 528 in Steueranweisungen für das Luftaufladungssystem umzuwandeln. Die Steueranweisungen für das Luftaufladungssystem umfassen eine Einlassventil-Steueranweisung 529, eine AGR-Ventil-Steueranweisung 530 und eine VGT-Steueranweisung 531. Das Luftaufladungssystem 504 wird anschließend derart gesteuert, dass es basierend auf diesen Steueranweisungen arbeitet, um die Soll-Betriebsparameter zu erreichen.
6 stellt ein beispielhaftes Luftaufladungs-Steuersystem mit mehreren Variablen schematisch dar, das eine modellbasierte Optimalwertsteuerung 600 und Rückkopplungssteuerverfahren mit Modellvoraussagesteuerung (MPC) verwendet. Das Luftaufladungssystem 604 empfängt Anweisungen und erzeugt Ausgaben. Es ist eine Anzahl von Modulen und Steuerstrategien dargestellt, welche die Anweisungen entwickeln, und sie umfassen das Zustandsvariablen-Beobachtungsmodul 603, die lineare Steuerstrategie 601, die das Rückkopplungssteuermodul 605 umfasst, und die Entkopplungsstrategie 602. Soll-Betriebsparameterpunkte, die das Soll-Kompressordruckverhältnis p_{rc_des} 622, den Soll-Anteil F_i 621 des verbrannten Gases und den Soll-Einlasskrümmerdruck p_{i_des} 620 umfassen, werden mit jeweiligen Rückkopplungssignalen 637, 638 und 639 verglichen, die durch das Zustandsvariablen-Beobachtungsmodul 603 basierend auf den Ist-Betriebsparametern des Luftaufladungssystems 604 ermittelt werden. Diese Betriebsparameter können beispielsweise den Einlasskrümmerdruck 632, die Einlasskrümmertemperatur 633, die Luftmasse 634, den Umgebungsdruck 635 und die Umgebungstemperatur 636 umfassen. Die Parameter des Luftaufladungssystems können durch Sensoren überwacht oder alternativ durch das Zustandsvariablen-Beobachtungsmodul 603 geschätzt werden. Beispielhafte geschätzte Parameter des Luftaufladungssystems können das Ist-Kompressordruckverhältnis und den Ist-Auslasskrümmerdruck umfassen. Die überwachten und geschätzten Systembetriebsparameter können verwendet werden, um Rückkopplungssignale zu ermitteln. Die Rückkopplungssignale beschreiben das Ist-Kompressordruckverhältnis 637, den Ist-Anteil 638 des verbrannten Gases und den Ist-Einlasskrümmerdruck 639. Der Vergleich der Soll-Betriebsparameter und der jeweiligen Ist-Betriebsparameter ermittelt Abweichungsterme für jeden Parameter, die einen Ladedruck-Abweichungsterm 646, einen Abweichungsterm 647 für den verbrannten Gasanteil und einen Kompressordruckverhältnis-Abweichungsterm 648 umfassen. Diese Abweichungsterme werden anschließend in das Rückkopplungssteuermodul 605 der linearen Steuerstrategie 601 eingegeben. Das Rückkopplungssteuerverfahren, das durch das Rückkopplungssteuermodul 605 implementiert wird, kann eine Modellvoraussagesteuerung umfassen und gibt den Kompressordruckverhältnis-Abweichungsterm 648, den Abweichungsterm 647 für den verbrannten Gasanteil und den Ladedruck-Abweichungsterm 646 aus. Das Verfahren mit Modellvoraussagesteuerung, das durch das Rückkopplungssteuermodul 605 implementiert wird, ermittelt Rückkopplungssteuersignale, die ein Einlasskrümmerdruck-Rückkopplungssteuersignal v₁ 623, ein Rückkopplungssteuersignal v₂ 624 für den verbrannten Gasanteil und ein Kompressordruckverhältnis-Rückkopplungssteuersignal v₃ 625 umfassen. Soll-Betriebsparameterpunkte, die das Soll-Kompressordruckverhältnis p_{rc_des} 622, den Soll-Anteil F_i 621 des verbrannten Gases und den Soll-Einlasskrümmerdruck p_{i_des} 620 umfassen, werden zusätzlich in das Optimalwertsteuermodul 614 eingegeben, und es werden Optimalwertsignale, die ein Einlasskrümmerdruck-Optimalwertsignal 643, ein Optimalwertsignal 644 für den verbrannten Gasanteil und ein Kompressordruckverhältnis-Optimalwertsignal 645 umfassen, ausgegeben. Die Rückkopplungssteuersignale 623, 624 und 625 und auch die Optimalwertsignale 643, 644 und 645 werden in die Entkopplungsstrategie 602 eingegeben. Diese Signale werden jeweils bei der Berechnung der Luftdrosselventilströmung W_itv 626, der AGR-Strömung W_egr 627 und der Turbinenleistung P_t 628 an den Punkten 608, 609 und 610 verwendet. Die Berechnungen zum Ermitteln dieser Werte können durch die Beziehungen [17] und [18] ausgedrückt werden. Ein inverses Strömungsmodell oder eine Umkehrung eines physikalischen Modells jedes Systems wird verwendet, um die Luftströmung 626, die AGR-Strömung 627 und die Turbinenleistung 628 in Steueranweisungen für das Luftaufladungssystem umzuwandeln. Die Steueranweisungen für das Luftaufladungssystem umfassen eine Lufteinlassventil-Steueranweisung 629, eine AGR-Ventil-Steueranweisung 630 und eine VGT-Steueranweisung 631. Das Luftaufladungssystem 604 wird anschließend gesteuert, um basierend auf diesen Steueranweisungen zum Erreichen der Soll-Betriebsparameter betrieben zu werden.
7 stellt ein beispielhaftes Luftaufladungs-Steuersystem mit mehreren Variablen schematisch dar, das eine modellbasierte Optimalwertsteuerung 700 und Rückkopplungssteuerverfahren mit linearem quadratischem Regler (LQR) verwendet. Das Luftaufladungssystem 704 empfängt Anweisungen und erzeugt Ausgaben. Es ist eine Anzahl von Modulen und Steuerstrategien dargestellt, welche die Anweisungen entwickeln, und sie umfassen das Zustandsvariablen-Beobachtungsmodul 703, die lineare Steuerstrategie 701, die das Rückkopplungssteuermodul 705 umfasst, und die Entkopplungsstrategie 702. Soll-Betriebsparameterpunkte, die das Soll-Kompressordruckverhältnis p_{rc_des} 722, den Soll-Anteil F_i 721 des verbrannten Gases und den Soll-Einlasskrümmerdruck p_{i_des} 720 umfassen, werden mit jeweiligen Rückkopplungssignalen 737, 738 und 739 verglichen, die durch das Zustandsvariablen-Beobachtungsmodul 703 basierend auf den Ist-Betriebsparametern des Luftaufladungssystems 704 ermittelt werden. Diese Betriebsparameter können beispielsweise den Einlasskrümmerdruck 732, die Einlasskrümmertemperatur 733, die Luftmasse 734, den Umgebungsdruck 735 und die Umgebungstemperatur 736 umfassen. Die Parameter des Luftaufladungssystems können durch Sensoren überwacht oder alternativ durch das Zustandsvariablen-Beobachtungsmodul 703 geschätzt werden. Beispielhafte geschätzte Parameter des Luftaufladungssystems können das Ist-Kompressordruckverhältnis und den Ist-Auslasskrümmerdruck umfassen. Die überwachten und geschätzten Betriebsparameter des Systems können verwendet werden, um Rückkopplungssignale zu ermitteln. Die Rückkopplungssignale beschreiben das Ist-Kompressordruckverhältnis 737, den Ist-Anteil 738 des verbrannten Gases und den Ist-Einlasskrümmerdruck 739. Der Vergleich der Soll-Betriebsparameter und der jeweiligen Ist-Betriebsparameter bestimmt Abweichungsterme für jeden Parameter, welche einen Einlasskrümmerdruck-Abweichungsterm 746, einen Abweichungsterm 747 für den verbrannten Gasanteil und einen Kompressordruckverhältnis-Abweichungsterm 748 umfassen. Diese Abweichungsterme werden anschließend in das Rückkopplungssteuermodul 705 der linearen Steuerstrategie 701 eingegeben. Das Rückkopplungssteuerverfahren, das durch das Rückkopplungssteuermodul 705 implementiert wird, kann eine lineare quadratische Reglersteuerung umfassen, wie sie in der Technik bekannt ist, und es liefert den Kompressordruckverhältnis-Abweichungsterm 748, den Abweichungsterm 747 für den verbrannten Gasanteil und den Einlasskrümmerdrück-Abweichungsterm 746 als Eingabe. Das LQR-Steuerverfahren, das durch das Rückkopplungssteuermodul 705 implementiert wird, ermittelt Rückkopplungssteuersignale, die ein Einlasskrümmerdruck-Steuersignal v₁ 723, ein Steuersignal v₂ 724 für den verbrannten Gasanteil und ein Kompressordruckverhältnis-Steuersignal v₃ 725 umfassen. Die Soll-Betriebsparameterpunkte, die das Soll-Kompressordruckverhältnis p_{rc_des} 722, den Soll-Anteil F_i 721 des verbrannten Gases und den Soll-Einlasskrümmerdruck p_{i_des} 720 umfassen, werden zusätzlich in ein Optimalwertsteuerungsmodul 714 eingegeben, und es werden Optimalwertsignale ausgegeben, die ein Einlasskrümmerdruck-Optimalwertsignal 743, ein Optimalwertsignal 744 für den verbrannten Gasanteil und ein Kompressordruckverhältnis-Optimalwertsignal 745 umfassen. Die Rückkopplungssteuersignale 723, 724 und 725 und auch die Optimalwertsignale 743, 744 und 745 werden in die Entkopplungsstrategie 702 eingegeben. Diese Signale werden jeweils bei der Berechnung der Luftdrosselventilströmung W_itv 726, der AGR-Strömung W_egr 727 und der Turbinenleistung P_t 728 bei den Rechenschritten 708, 709 und 710 verwendet. Die Berechnungen zum Ermitteln dieser Werte können durch die Beziehungen [17] und [18] ausgedrückt werden. Ein inverses Strömungsmodell oder eine Umkehrung eines physikalischen Modells jedes Systems wird verwendet, um die Luftströmung 726, die AGR-Strömung 727 und die Turbinenleistung 728 in Steueranweisungen für das Luftaufladungssystem umzuwandeln. Die Steueranweisungen für das Luftaufladungssystem umfassen eine Lufteinlassventil-Steueranweisung 729, eine AGR-Ventil-Steueranweisung 730 und eine VGT-Steueranweisung 731. Das Luftaufladungssystem 704 wird anschließend derart gesteuert, dass es basierend auf diesen Steueranweisungen zum Erreichen der Soll-Betriebsparameter betrieben wird.

8 zeigt ein beispielhaftes Verfahren 800 gemäß der vorliegenden Offenbarung zum Steuern einer Abgasrückführung, eines Luftdrosselsystems und eines Luftaufladungssystems in einem Verbrennungsmotor. Tabelle 1 ist als ein Schlüssel vorgesehen, wobei die numerisch bezeichneten Blöcke und die entsprechenden Funktionen wie folgt dargelegt sind. Tabelle 1

BLOCK	BLOCKINHALTE
801	Überwache gewünschte Betriebs-Zielanweisungen für jedes von dem AGR-System, dem Luftdrosselsystem und dem Luftaufladungssystem
802	Überwache Betriebsparameter des Luftaufladungssystems
803	Ermittle Rückkopplungssteuersignale für jedes von dem AGR-System, dem Luftdrosselsystem und dem Luftaufladungssystem basierend auf den gewünschten Betriebs-Zielanweisungen und den Betriebsparametern des Luftaufladungssystems
804	Ermittle die AGR-Strömung, die Luftströmung und einen Turbinenleistungsparameter basierend auf einem beliebigen der Rückkopplungssteuersignale und den gewünschten Betriebs-Zielanweisungen
805	Ermittle eine Systemsteueranweisung für jedes von dem AGR-System, dem Luftdrosselsystem und dem Luftaufladungssystem
806	Steuere das Luftaufladungssystem basierend auf den Systemsteueranweisungen

In einem Systemmodell dritter Ordnung mit Hochdruck-AGR können die Systemsteueranweisungen alternativ ohne die Verwendung eines inversen Strömungsmodells oder einer Umkehrung eines physikalischen Modells eines Systems ermittelt werden, um die Einstellungen zu ermitteln, die zum Erreichen einer Soll-Strömung durch eine Öffnung in dem System erforderlich sind. Indem ein Modell des Systems erzeugt wird, das den W_egr-Term durch den Term CdA_egr ersetzt, kann das Modell Systemsteueranweisungen ohne die Implementierung von inversen Strömungsmodellen oder einer Umkehrung von physikalischen Modellen eines Systems ermitteln. Ein beispielhaftes Systemmodell kann als eine nichtlineare Differentialgleichung gemäß der folgenden Beziehung ausgedrückt werden. x . = C_f(t)x + C_g(t)u [19]
Der Systemausgabevektor x kann durch den folgenden Vektor ausgedrückt werden.
Der Systemeingabevektor u kann durch den folgenden Vektor ausgedrückt werden.
Ein drittes beispielhaftes Dreizustandsmodell gemäß den Basis-Systemmodellbeziehungen [1], [2] und [3], die vorstehend dargelegt sind, wird in dem folgenden Satz von Beziehungen dargelegt.
In den Beziehungen [22]–[24] ist:

T_i die Temperatur an dem Einlasskrümmer,
R die universelle Gaskonstante,
V_i das Einlasskrümmervolumen,
W_itv die Lufteinlassdrosselventilströmung,
p_x der Druck am Auslass und
W_e(p_i) die gesamte Ladung in dem Motorzylinder, wobei
gemäß der Öffnungsströmungsbeziehung geschrieben ist und der CdA_egr-Term den W_egr-Term ersetzt, der in alternativen Systemmodellen verwendet wird, wodurch die AGR-Ventilposition anstelle der Strömung durch das AGR-Ventil ausgedrückt wird.

Die Vernachlässigung von Trägheitseffekten J(W ._itv, W_itv) der Turboladerwelle in [24] ergibt eine Näherung für p ._rc wie folgt: p ._rc ≈ c(–P_c + h_tR_t) [25] wobei R_t die Turbinenleistungs-Übertragungsrate ist, die durch die folgende Beziehung ausgedrückt werden kann:
wobei

P_t: die Turboleistung und
h_t: die Abgasenergieströmung ist, die durch die folgende Beziehung ausgedrückt werden kann:

h_t = W_tc_pT_x [27]

W_t: die Strömung an der Turbine ist,
c_p: die spezifische Wärme unter konstantem Druck ist und
T_x: die Abgastemperatur ist.

Die Funktion C_g(t), wie sie in dem Basissystemmodell der Beziehung [19] angegeben ist, kann durch die folgende Matrix ausgedrückt werden.
Ferner kann die Funktion C_f, wie sie in dem Basissystemmodell von Beziehung [19] angegeben ist, durch die folgende Matrix ausgedrückt werden.
Dieses Modell definiert ein alternatives Mittel zum Ermitteln der Ventilpositionen für die Steuerungen, ohne dass das inverse Modell verwendet werden muss, wie es bei anderen beispielhaften Verfahren, wie sie beschrieben sind, erforderlich ist.
In dem Fall, dass das System, das modelliert werden soll, eine Niederdruck-AGR umfasst, kann eine Niederdruck-AGR-Beziehung als eine vierte Beziehung in ein beliebiges der drei beispielhaften Dreizustandsmodelle hinzugefügt werden, was zu einem Vierzustandsmodell führt. Dieses Vierzustandsmodell kann auf eine ähnliche Weise wie ein Beliebiges der beispielhaften Dreizustandsmodelle gemäß der vorliegenden Offenbarung behandelt werden. Die Niederdruck-AGR kann durch die folgende Beziehung ausgedrückt werden. m_cF ._c = –F_cW_itv + F_x(t – z)W_egr,LP [30] wobei

m_c: die Luftmasse an dem Niederdruck-AGR-Fixpunkt ist,
F_c: der verbrannte Gasanteil an dem Niederdruck-AGR-Fixpunkt ist,
F_x: der verbrannte Massenanteil des Abgases ist,
t: die Zeit ist,
z: eine zeitliche Verzögerung ist, und
W_egr,LP: die Niederdruck-AGR-Störmung ist.

Die Offenbarung hat bestimmte bevorzugte Ausführungsformen und deren Modifikationen beschrieben. Weitere Modifikationen und Veränderungen können Anderen während des Lesens und Verstehens der Beschreibung auffallen. Es ist daher beabsichtigt, dass die Offenbarung nicht auf die spezielle Ausführungsform bzw. die speziellen Ausführungsformen beschränkt ist, die als die beste Weise offenbart wird bzw. werden, die für die Ausführung dieser Offenbarung in Erwägung gezogen wird, sondern dass die Offenbarung alle Ausführungsformen umfassen wird, die in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen.

Claims

Verfahren zum Steuern eines Abgasrückführungssystems, eines Luftdrosselsystems und eines Luftaufladungssystems in einem Verbrennungsmotor, wobei das Verfahren umfasst, dass: gewünschte Betriebs-Zielanweisungen für jedes von dem Abgasrückführungssystem, dem Luftdrosselsystem und dem Luftaufladungssystem überwacht werden; Betriebsparameter des Luftaufladungssystems überwacht werden; ein Rückkopplungssteuersignal für jedes von dem Abgasrückführungssystem, dem Luftdrosselsystem und dem Luftaufladungssystem basierend auf den jeweiligen gewünschten Betriebs-Zielanweisungen und den Betriebsparametern des Luftaufladungssystems ermittelt wird; eine Abgasrückführungsströmung in dem Abgasrückführungssystem, eine Luftströmung in dem Luftdrosselsystem und ein Turbinenleistungsparameter in dem Luftaufladungssystem basierend auf den jeweiligen Rückkopplungssteuersignalen für jedes von dem Abgasrückführungssystem, dem Luftdrosselsystem und dem Luftaufladungssystem ermittelt werden; eine Systemsteueranweisung für jedes von dem Abgasrückführungssystem, dem Luftsteuersystem und dem Luftaufladungssystem jeweils basierend auf der Abgasrückführungsströmung, der Luftströmung und dem Turbinenleistungsparameter ermittelt wird; und das Luftaufladungssystem basierend auf den Systemsteueranweisungen für jedes von dem Abgasrückführungssystem, dem Luftdrosselsystem und dem Luftaufladungssystem gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die gewünschten Betriebs-Zielanweisungen eine Soll-Einlasskrümmerdruckanweisung, eine Soll-Kompressordruckverhältnisanweisung und eine Soll-Anweisung für einen verbrannten Gasanteil umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die gewünschten Betriebs-Zielanweisungen eine Soll-Einlasskrümmerdruckanweisung, eine Soll-Kompressordruckverhältnisanweisung und eine Soll-Sauerstoffanteilsanweisung umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Betriebsparameter des Luftaufladungssystems einen Einlasskrümmerdruck, eine Einlasskrümmertemperatur, einen Umgebungsdruck und eine Umgebungstemperatur umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ermitteln eines Rückkopplungssteuersignals für jedes von dem Abgasrückführungssystem, dem Luftdrosselsystem und dem Luftaufladungssystem basierend auf den jeweiligen gewünschten Betriebs-Zielanweisungen und den Betriebsparametern des Luftaufladungssystems die Verwendung einer Proportional-Integral-Ableitungs-Rückkopplungssteuerung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ermitteln eines Rückkopplungssteuersignals für jedes von dem Abgasrückführungssystem, dem Luftdrosselsystem und dem Luftaufladungssystem basierend auf den jeweiligen gewünschten Betriebs-Zielanweisungen und den Betriebsparametern des Luftaufladungssystems die Verwendung einer Rückkopplungssteuerung mit linearem quadratischem Regler umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ermitteln eines Rückkopplungssteuersignals für jedes von dem Abgasrückführungssystem, dem Luftdrosselsystem und dem Luftaufladungssystem basierend auf den jeweiligen gewünschten Betriebs-Zielanweisungen und den Betriebsparametern des Luftaufladungssystems die Verwendung einer Modellvoraussage-Rückkopplungssteuerung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ermitteln der Abgasrückführungsströmung in dem Abgasrückführungssystem, der Luftströmung in dem Luftdrosselsystem und der Turbinenleistung in dem Luftaufladungssystem basierend auf den jeweiligen Rückkopplungssteueranweisungen für jedes von dem Abgasrückführungssystem, dem Luftdrosselsystem und dem Luftaufladungssystem ferner auf den überwachten Betriebsparametern des Luftaufladungssystems basiert.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst, dass eine Optimalwertsteuerungsanweisung für jedes von dem Abgasrückführungssystem, dem Luftdrosselsystem und dem Luftaufladungssystem basierend auf den jeweiligen gewünschten Betriebs-Zielanweisungen für jedes von dem Abgasrückführungssystem, dem Luftdrosselsystem und dem Luftaufladungssystem ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Ermitteln der Abgasrückführungsströmung in dem Abgasrückführungssystem, der Luftströmung in dem Luftdrosselsystem und der Turbinenleistung in dem Luftaufladungssystem basierend auf den jeweiligen Rückkopplungssteueranweisungen für jedes von dem Abgasrückführungssystem, dem Luftdrosselsystem und dem Luftaufladungssystem ferner auf den jeweiligen Optimalwertsteuerungsanweisungen für jedes von dem Abgasrückführungssystem, dem Luftdrosselsystem und dem Luftaufladungssystem basiert.