DE102016105291A1 - Kraftmaschinensteuerung unter Verwendung einer berechneten Zylinderluftladung - Google Patents

Kraftmaschinensteuerung unter Verwendung einer berechneten Zylinderluftladung Download PDF

Info

Publication number
DE102016105291A1
DE102016105291A1 DE102016105291.4A DE102016105291A DE102016105291A1 DE 102016105291 A1 DE102016105291 A1 DE 102016105291A1 DE 102016105291 A DE102016105291 A DE 102016105291A DE 102016105291 A1 DE102016105291 A1 DE 102016105291A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
engine
air
intake manifold
sensor
manifold
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
DE102016105291.4A
Other languages
English (en)
Other versions
DE102016105291B4 (de
Inventor
Hossein Javaherian
Shifang Li
Yiran Hu
Jun-Mo Kang
Chen-Fang Chang
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
GM Global Technology Operations LLC
Original Assignee
GM Global Technology Operations LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by GM Global Technology Operations LLC filed Critical GM Global Technology Operations LLC
Publication of DE102016105291A1 publication Critical patent/DE102016105291A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE102016105291B4 publication Critical patent/DE102016105291B4/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/0002—Controlling intake air
    • F02D41/0007—Controlling intake air for control of turbo-charged or super-charged engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/12—Control of the pumps
    • F02B37/16—Control of the pumps by bypassing charging air
    • F02B37/162—Control of the pumps by bypassing charging air by bypassing, e.g. partially, intake air from pump inlet to pump outlet
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/12—Control of the pumps
    • F02B37/18—Control of the pumps by bypassing exhaust from the inlet to the outlet of turbine or to the atmosphere
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/0025—Controlling engines characterised by use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures
    • F02D41/0047—Controlling exhaust gas recirculation [EGR]
    • F02D41/0065—Specific aspects of external EGR control
    • F02D41/0072—Estimating, calculating or determining the EGR rate, amount or flow
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/18—Circuit arrangements for generating control signals by measuring intake air flow
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/18—Circuit arrangements for generating control signals by measuring intake air flow
    • F02D41/182—Circuit arrangements for generating control signals by measuring intake air flow for the control of a fuel injection device
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/02—EGR systems specially adapted for supercharged engines
    • F02M26/04—EGR systems specially adapted for supercharged engines with a single turbocharger
    • F02M26/05—High pressure loops, i.e. wherein recirculated exhaust gas is taken out from the exhaust system upstream of the turbine and reintroduced into the intake system downstream of the compressor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/02—EGR systems specially adapted for supercharged engines
    • F02M26/04—EGR systems specially adapted for supercharged engines with a single turbocharger
    • F02M26/06—Low pressure loops, i.e. wherein recirculated exhaust gas is taken out from the exhaust downstream of the turbocharger turbine and reintroduced into the intake system upstream of the compressor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/13—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories
    • F02M26/22—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories with coolers in the recirculation passage
    • F02M26/23—Layout, e.g. schematics
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B29/00—Engines characterised by provision for charging or scavenging not provided for in groups F02B25/00, F02B27/00 or F02B33/00 - F02B39/00; Details thereof
    • F02B29/04—Cooling of air intake supply
    • F02B29/0406—Layout of the intake air cooling or coolant circuit
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B33/00—Engines characterised by provision of pumps for charging or scavenging
    • F02B33/32—Engines with pumps other than of reciprocating-piston type
    • F02B33/34—Engines with pumps other than of reciprocating-piston type with rotary pumps
    • F02B33/36—Engines with pumps other than of reciprocating-piston type with rotary pumps of positive-displacement type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B33/00—Engines characterised by provision of pumps for charging or scavenging
    • F02B33/32—Engines with pumps other than of reciprocating-piston type
    • F02B33/34—Engines with pumps other than of reciprocating-piston type with rotary pumps
    • F02B33/36—Engines with pumps other than of reciprocating-piston type with rotary pumps of positive-displacement type
    • F02B33/38—Engines with pumps other than of reciprocating-piston type with rotary pumps of positive-displacement type of Roots type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D2200/00—Input parameters for engine control
    • F02D2200/02—Input parameters for engine control the parameters being related to the engine
    • F02D2200/04—Engine intake system parameters
    • F02D2200/0402—Engine intake system parameters the parameter being determined by using a model of the engine intake or its components
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D2200/00—Input parameters for engine control
    • F02D2200/02—Input parameters for engine control the parameters being related to the engine
    • F02D2200/04—Engine intake system parameters
    • F02D2200/0406—Intake manifold pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D2200/00—Input parameters for engine control
    • F02D2200/02—Input parameters for engine control the parameters being related to the engine
    • F02D2200/04—Engine intake system parameters
    • F02D2200/0414—Air temperature
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D23/00—Controlling engines characterised by their being supercharged
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D9/00—Controlling engines by throttling air or fuel-and-air induction conduits or exhaust conduits
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/40—Engine management systems

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combined Controls Of Internal Combustion Engines (AREA)
  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)

Abstract

Ein System enthält eine turbogeladene Kraftmaschine, Sensoren und einen Controller. Die Kraftmaschine enthält einen Kraftmaschinenansaugkrümmer, einen Luftansaugkrümmer, einen Kompressor, eine erste Nachkühlungsvorrichtung, eine Drosselklappe, die gekühlte komprimierte Luft in den Kraftmaschinenansaugkrümmer hineinlässt, und Zylinder. Die Sensoren ermitteln Kraftmaschinenstatussignale und sie umfassen einen ersten Krümmerdrucksensor (MAP-Sensor), der an der ersten Nachkühlungsvorrichtung positioniert ist, einen zweiten MAP-Sensor, der an dem Kraftmaschinenansaugkrümmer positioniert ist, einen Luftmassenströmungssensor (MAF-Sensor), der in dem Luftansaugkrümmer positioniert ist, einen ersten Krümmertemperatursensor (MAT-Sensor), der im Kraftmaschinenansaugkrümmer positioniert ist und einen zweiten MAT-Sensor, der zwischen der ersten Nachkühlungsvorrichtung und der Drosselklappe positioniert ist. Der Controller führt ein Verfahren aus, um eine Zylinderluftladung unter Verwendung eines Sauerstoffniveaus von Gasen nach der Verbrennung und der Kraftmaschinensteuerungssignale zu berechnen und er steuert einen Betrieb der Kraftmaschine unter Verwendung der berechneten Luftladung mit Hilfe von Kraftmaschinensteuerungssignalen.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft die Steuerung einer Kraftmaschine unter Verwendung einer berechneten Luftladung der Zylinder der Kraftmaschine.
  • HINTERGRUND
  • Einige Brennkraftmaschinen verwenden ein Turboladersystem, um die Leistung und den Wirkungsgrad der Kraftmaschine zu erhöhen. Bei einem typischen Turboladersystem drückt ein Zentrifugalgaskompressor zusätzliche Luft in die Brennräume der Zylinder der Kraftmaschine hinein, um die Zylinderluftladung, d. h. die Konzentration von Frischluft, die den Zylindern zugeführt wird, zu erhöhen. Die zusätzliche Masse von sauerstoffhaltiger Luft verbessert den volumetrischen Wirkungsgrad der Kraftmaschine und sie ermöglicht, dass die Kraftmaschine während eines gegebenen Kompressionszyklus des Verbrennungsprozesses mehr Leistung erzeugt.
  • Die Menge der Luft und des Kraftstoffs, die an eine Kraftmaschine geliefert werden, wird genau gesteuert, so dass sich ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis (AFR von engl.: air-fuel ratio) einem idealen Verhältnis oder einem stöchiometrischen AFR annähert. Wie in der Technik gut bekannt ist, beträgt das stöchiometrische AFR für eine Benzinkraftmaschine 14,7:1, was bedeutet, dass jedes Pfund Benzin, das in die Zylinder der Kraftmaschine injiziert wird, zu der Verbrennung von 14,7 Pfund Luft führt. Die Begriffe ”mager” und ”fett” werden verwendet, um Variationen oberhalb bzw. unterhalb des stöchiometrischen AFR zu beschreiben.
  • Eine AFR-Steuerung in einer Kraftmaschine erfordert die genaue Kenntnis der Zylinderluftladung. Herkömmliche Techniken zum Schätzen der Luftmassenströmung der Kraftmaschine können bei einer turbogeladenen Kraftmaschine suboptimal sein, speziell bei einer, die einen Hochdruck- und/oder Niederdruck-Abgasrückführungsprozess (AGR-Prozess) verwendet. Wie in der Technik bekannt ist, betreffen AGR-Prozesse die Rückführung eines kleinen Teils des Abgases der Kraftmaschine zurück in die Zylinder hinein. AGR-Prozesse sollen zur Reduktion der Gesamtemissionen am Auspuff beitragen. Die Umleitung von Abgasen in einem AGR-Prozess beeinflusst jedoch die Luftmenge in dem Gemisch aus Luft und Kraftstoff. Als Folge kann die Verwendung eines AGR-Prozesses in einer Kraftmaschine die Gesamtgenauigkeit von AFR-Berechnungen an Bord und nachfolgende Regelungstechniken beeinflussen.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Die Luftladung eines gegebenen Kraftmaschinenzylinders wird typischerweise unter Verwendung des bekannten volumetrischen Wirkungsgrads der Kraftmaschine geschätzt. Eine derartige Herangehensweise ist hinsichtlich der Genauigkeit möglicherweise nicht optimal, speziell wenn ein Abgasrückführungsprozess (AGR-Prozess) wie oben erwähnt verwendet wird. Als Folge wird im Bestreben, inhärente Ungenauigkeiten zu korrigieren und Varianzen zwischen verschiedenen Kraftmaschinen zu justieren, oft eine aufwendige Kalibrierung benötigt. Die hier offenbarte alternative Herangehensweise ist zum Verbessern derartiger Verfahren gedacht, indem die Kenntnis der eindeutigen dynamischen Gleichungen der Luftstrecken der Kraftmaschine und verfügbare Kraftmaschinenstatussignale verwendet werden, um die Zylinderluftladung direkt zu berechnen, und um anschließend die berechnete Luftladung zum Steuern eines Betriebs der Kraftmaschine zu verwenden.
  • Als Teil des vorliegenden Verfahrens verarbeitet ein Controller Informationen von einem Satz von Kraftmaschinensensoren, welche Krümmerdrucksensoren (MAP-Sensoren), einen Luftmassenströmungssensor (MAF-Sensor) und Krümmertemperatursensoren (MAT-Sensoren) umfassen, und er berechnet die Zylinderluftladung als das Volumen oder die Menge von Frischluft, die während eines Ansaugschritts eines gegebenen Kompressionszyklus in die verschiedenen Zylinder der Kraftmaschine eintritt. Als Teil des vorliegenden Verfahrens kann eine homogene Differenzierung [engl.: homogenous differentiation] verwendet werden, um sauberere/weniger verrauschte Signale von den MAP-Sensoren und von einem optionalen Sauerstoffsensor zu erhalten. Die geschätzte Luftladung wird dann verwendet, um einen Betrieb der Kraftmaschine zu steuern, etwa durch Justieren des Drosselklappenniveaus und/oder einer Kraftstoffeinspritzrate.
  • Die vorliegende Herangehensweise beruht teilweise auf dem Prinzip der Massenbilanz. In Übereinstimmung mit diesem Prinzip wird die Luftmassenströmung (Ṁm) durch einen Krümmer einer Kraftmaschine hindurch, etwa der Kraftmaschine 12 von 1 und 2, als die Differenz zwischen der Strömungsrate in den Krümmer hinein, d. h. der Drosselklappen-Luftströmung (ṁin) und der Luftströmung aus dem Krümmer heraus, z. B. der Zylinderluftströmung (ṁout) definiert, wobei Ṁm = ṁin – ṁout. Im Allgemeinen ist für einen Kaltstart und/oder für eine erwärmte Kraftmaschine 12 die folgende Beziehung gültig:
    Figure DE102016105291A1_0002
    wobei Pm der Luftdruck im Krümmer ist, Tm die Temperatur der Luft ist, R die ideale Gaskonstante für Luft ist und Mm die Luftmasse im Krümmer ist. Da die Temperatur ein sich langsam verändernder Prozess ist, kann der Ausdruck
    Figure DE102016105291A1_0003
    vernachlässigt, d. h. auf 0 gesetzt werden. Unter Verwendung dieser Beziehung kann die Strömung ṁout aus dem Krümmer heraus berechnet werden zu:
    Figure DE102016105291A1_0004
    wobei
    Figure DE102016105291A1_0005
    Während also in der offenbarten Herangehensweise das ideale Gasgesetz (PV = mRT) verwendet wird, enthält das hier offenbarte Verfahren 100 außerdem die Kenntnis der Luftströmungsstrecken in der Kraftmaschine 12, um die Zylinderluftladung genau zu schätzen. Diese Luftströmungsstrecken können in Abhängigkeit von der Ausführungsform eine oder mehrere Abgasrückführungsstrecken (AGR-Strecken) enthalten und daher zielt die vorliegende Herangehensweise darauf ab, die Menge der Frischluft, die in Zylinder einer Kraftmaschine eintritt, im Vergleich mit Techniken des Standes der Technik genauer zu berechnen.
  • In einer speziellen Ausführungsform enthält ein beispielhaftes System eine Brennkraftmaschine, einen Controller und mehrere Sensoren. Der Controller ist programmiert, um über das Ausführen von Schritten eines zugehörigen Verfahrens eine Frischluftströmung in Zylinder der Kraftmaschine hinein zu berechnen, d. h. die vorstehend erwähnte Zylinderluftladung. Die Kraftmaschine kann optional eine Niederdruck- und/oder eine Hochdruck-AGR-Strecke enthalten, obwohl keine AGR-Strecke benötigt wird, damit das Verfahren wie beabsichtigt funktioniert. Der Controller steht in Kommunikation mit den Sensoren, die ein Paar Krümmerabsolutdrucksensoren (MAP-Sensoren), einen Luftmassenströmungssensor (MAF-Sensor) und eine Vielzahl von Krümmertemperatursensoren (MAT-Sensoren), die über die Kraftmaschine hinweg positioniert sind, enthalten können. Optional können die Sensoren einen Ansaugsauerstoffsensor (O2-Sensor) und einen AFR-Sensor, der stromabwärts zu einem Katalysator positioniert ist, enthalten. Da Sauerstoffniveaus geschätzt werden können, statt sie zu messen, ist die Verwendung eines O2-Sensors optional. Analog kann das Verfahren bei stöchiometrischen Benzinkraftmaschinen annehmen, dass der gesamte Kraftstoff verbrannt wird, und es kann daher ein stöchiometrisches AFR von 14,7 verwenden, statt das AFR stromabwärts zu dem Katalysator zu messen.
  • Ein System in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform umfasst eine Kraftmaschine, Kraftmaschinensensoren und einen Controller. Die Kraftmaschine weist einen Kraftmaschinenansaugkrümmer, einen Luftansaugkrümmer, der Luft aus der Umgebung empfängt, einen Kompressor, der die von dem Luftansaugkrümmer empfangene Umgebungsluft empfängt und komprimiert, eine erste Nachkühlungsvorrichtung, welche die von dem Kompressor komprimierte Luft empfängt und kühlt, eine Drosselklappe stromabwärts zu der ersten Nachkühlungsvorrichtung, welche die gekühlte komprimierte Luft in den Kraftmaschinenansaugkrümmer hineinlässt, und Zylinder auf, welche die von der Drosselklappe hineingelassene gekühlte komprimierte Luft zur Verbrennung darin empfangen. Die Kraftmaschinensensoren können betrieben werden, um einen Satz von Kraftmaschinenstatussignalen zu ermitteln, und sie enthalten einen ersten Krümmerdrucksensor (MAP-Sensor), der an der ersten Nachkühlungsvorrichtung positioniert ist, einen zweiten MAP-Sensor, der an dem Kraftmaschinenansaugkrümmer positioniert ist, einen Luftmassenströmungssensor (MAF-Sensor), der in dem Luftansaugkrümmer positioniert ist, einen ersten Krümmertemperatursensor (MAT-Sensor), der in dem Kraftmaschinenansaugkrümmer positioniert ist, und einen zweiten MAT-Sensor, der zwischen der ersten Nachkühlungsvorrichtung und der Drosselklappe positioniert ist. Der Controller ist programmiert, um eine Luftladung der Zylinder der Kraftmaschine unter Verwendung eines Sauerstoffniveaus der gekühlten komprimierten Luft und des Satzes von Kraftmaschinenstatussignalen zu berechnen und um einen Betrieb der Kraftmaschine unter Verwendung der berechneten Luftladung mit Hilfe der Erzeugung und Übertragung eines Satzes von Kraftmaschinensteuerungssignalen zu steuern.
  • Ein Verfahren zum Berechnen einer Zylinderluftladung in der vorstehend beschriebenen Kraftmaschine umfasst, dass ein erster und ein zweiter Krümmerdruck mit Bezug auf die erste Nachkühlungsvorrichtung und auf den Kraftmaschinenansaugkrümmer unter Verwendung jeweiliger erster und zweiter Krümmerdrucksensoren (MAP-Sensoren) gemessen werden und dass außerdem mit Hilfe eines MAF-Sensors eine Luftmassenströmung über einen Luftmassenströmungssensor (MAF-Sensor) ermittelt wird, welcher in dem Luftansaugkrümmer positioniert ist. Das Verfahren umfasst ferner, dass eine erste Krümmertemperatur mit Hilfe eines ersten Krümmertemperatursensors (MAT-Sensors), der in dem Kraftmaschinenansaugkrümmer positioniert ist, und eine zweite MAT-Temperatur mit Hilfe eines zweiten MAT-Sensors, der zwischen der ersten Nachkühlungsvorrichtung und der Drosselklappe positioniert ist, gemessen werden.
  • Zudem umfasst das Verfahren, das mit Hilfe eines Controllers eine Luftladung der Zylinder unter Verwendung eines Sauerstoffniveaus von Gasen der Kraftmaschine nach der Verbrennung und eines Satzes von Kraftmaschinenstatussignalen, welche die gemessenen Krümmerdrücke, Krümmertemperaturen und Luftmassenströmungen umfassen, berechnet wird. Der Controller erzeugt einen Satz von Kraftmaschinensteuerungssignalen und überträgt diesen an die Kraftmaschine, um dadurch einen Betrieb der Kraftmaschine unter Verwendung der berechneten Luftladung zu steuern.
  • Die vorstehenden und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden sich leicht aus der folgenden genauen Beschreibung der Ausführungsformen und besten Arten zum Ausführen der beschriebenen Offenbarung ergeben, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen gelesen wird.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematische Darstellung eines Systems in der Form eines Fahrzeugs, das eine Kraftmaschine mit einem beispielhaften Turboladersystem und einen Controller aufweist, der programmiert ist, um ein Verfahren zum Schätzen der Zylinderluftladung der Kraftmaschine auszuführen.
  • 2 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer Kraftmaschine mit zugehörigen Turboladerkomponenten, die als Teil des in 1 gezeigten Fahrzeugs verwendet werden kann.
  • 3 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Steuern eines Betriebs der Kraftmaschine von 2 unter Verwendung der Zylinderluftladung beschreibt, welche wie hier offengelegt geschätzt wird.
  • GENAUE BESCHREIBUNG
  • Mit Bezug auf die Zeichnungen, bei denen gleiche Bezugszeichen gleichen oder ähnlichen Komponenten in den mehreren Figuren entsprechen, ist in 1 ein Fahrzeug 10 als beispielhaftes System gezeigt, das eine Brennkraftmaschine (E) 12 mit einem Turboladersystem 13 aufweist. Das Fahrzeug 10 enthält einen Controller (C) 50, der programmiert ist, um eine Zylinderluftladung der Kraftmaschine 12 zu berechnen und um die berechnete Zylinderluftladung bei der Gesamtsteuerung der Kraftmaschine 12 zu verwenden, was mit Hilfe der Ausführung eines Verfahrens 100 bewerkstelligt wird, das nachstehend mit Bezug auf 3 beschrieben ist.
  • Die Kraftmaschine 12, von der ein Beispiel in 2 gezeigt ist, kann als Funkenzündungs- oder Kompressionszündungskonstruktion ausgeführt sein, bei welcher ein Sollverhältnis von Luft zu Kraftstoff bei der Gesamtsteuerung der Kraftmaschine 12 ermittelt und verwendet wird. Das Fahrzeug 10 enthält ein Getriebe (T) 14, das mit der Kraftmaschine 12 über eine Drehmomentübertragungsvorrichtung 15, beispielsweise einen hydrodynamischen Drehmomentwandler oder eine Anordnung mit einer Eingabekupplung und einem Dämpfer wirksam verbunden ist. Drehmoment (Pfeil TE) von der Kraftmaschine 12 treibt eine Kurbelwelle 16 an, die mit der Drehmomentübertragungsvorrichtung 15 verbunden ist. Die Drehmomentübertragungsvorrichtung 15 wiederum überträgt ein Eingabedrehmoment (Pfeil TI) an ein Eingabeelement 17 des Getriebes 14. Ausgabedrehmoment (Pfeil TO) wird über ein Ausgabeelement 19 des Getriebes 14 an Antriebsräder 20 des Fahrzeugs 10 übertragen, z. B. über eine oder mehrere Antriebsachsen 21.
  • Als Teil eines Verfahrens 100 berücksichtigt der Controller 50 eine Luftmassenströmung durch verschiedene Strömungsstrecken des Turboladersystems 13 hindurch. Wie in der Technik gut bekannt ist, ist es zur Steuerung von Fahrzeugemissionen notwendig, das Luft/Kraftstoff-Verhältnis (AFR) zu steuern und dadurch eine katalytische Umwandlung mit einer hohen Effizienzrate zu erreichen. Eine genaue AFR-Steuerung wiederum benötigt bei allen Kraftmaschinenbetriebsmodi eine genaue Schätzung der Luftladung, die in die Kraftmaschine 12 eintritt. Der Controller 50 führt Anweisungen aus, die das Verfahren 100 verkörpern, um dadurch die Zylinderluftladung unabhängig davon zu schätzen, ob die Kraftmaschine 12 eine Abgasrückführungsfunktionalität (AGR-Funktionalität) verwendet oder nicht. Ein beabsichtigtes Ergebnis des Verfahrens 100 ist eine Verringerung des Kalibrierungsaufwands, der für ein derartiges Turboladersystem 13 für gewöhnlich benötigt wird.
  • Der Controller 50 von 1 steht in Kommunikation mit einer Vielzahl von Kraftmaschinensensoren 22, die in 1 schematisch gezeigt sind und mit Bezug auf 2 in weiterem Detail beschrieben werden. Die Kraftmaschinensensoren 22 geben gemeinsam Kraftmaschinenstatussignale (Pfeil 11) an den Controller 50 aus. Beim Ausführen des Verfahrens 100 gibt der Controller 50 Kraftmaschinensteuerungssignale (Pfeil 111) an die Kraftmaschine 12 aus, um dadurch das AFR zu steuern, z. B., indem das Drosselklappenniveau, Kraftstoffeinspritzraten und dergleichen modifiziert werden.
  • Der Controller 50 kann als eine oder mehrere digitale Computervorrichtungen ausgeführt sein, die einen Speicher (M), von dem zumindest ein Teil konkret und nicht vorübergehend ist, und einen Prozessor (P) aufweisen. der Speicher kann ein beliebiges flüchtiges oder nichtflüchtiges Aufzeichnungsmedium sein, sei es magnetisch, optisch oder dergleichen, welches am Bereitstellen von computerlesbaren Daten oder Prozessanweisungen beteiligt ist. Anweisungen können über Kabel, Drähte, Glasfasern oder drahtlos unter Verwendung beliebiger geeigneter Übertragungsmedien übertragen werden. Der Controller 50 enthält sämtliche benötigte Hardware und Schaltungen, die beispielsweise einen Hochgeschwindigkeits-Taktgeber oder Oszillator, Analog/Digital- und Digital/Analog-Schaltungen, Eingabe/Ausgabe-Vorrichtungen, Signalaufbereitungs- und/oder Pufferschaltungen und dergleichen umfassen. Alle Algorithmen, die von dem Controller 50 benötigt werden, einschließlich derjenigen, die zum Ausführen des Verfahrens 100 notwendig sind, können in dem Speicher gespeichert sein und mit Hilfe des Prozessors ausgeführt werden, um die offenbarte Modellierungs- und Steuerungsfunktionalität bereitzustellen.
  • Mit Bezug auf 2 kann die Kraftmaschine 12 einen Zylinderblock 30 mit einer Vielzahl darin angeordneter Zylinder 32 enthalten. Die Anzahl der Zylinder 32 kann mit der Konstruktion der Kraftmaschine 12 variieren. Die Zylinder 32 empfangen ein Gemisch aus Luft und Kraftstoff zur anschließenden Verbrennung darin. Zwar wurde es zur Einfachheit der Veranschaulichung weggelassen, jedoch enthält jeder Zylinder 32 einen jeweiligen sich hin- und herbewegenden Kolben. Zwischen der unterseitigen Oberfläche eines Zylinderkopfs und den Oberseiten der (nicht gezeigten) Kolben sind Brennräume in den Zylindern 32 vorhanden. Wie dem Fachmann auf dem Gebiet gut bekannt ist, empfängt jeder dieser Brennräume während eines Ansaugschritts eines Kraftmaschinenzyklus ein Gemisch aus Kraftstoff und Luft, wobei das Gemisch aus Luft und Kraftstoff in den Brennräumen verbrannt wird, um das Eingabedrehmoment (Pfeil TI) von 1 zu erzeugen.
  • Die Kraftmaschine 12 enthält außerdem einen Kraftmaschinenansaugkrümmer 34 und einen Kraftmaschinenabgaskrümmer 36. Eine Luftströmung in die Kraftmaschine 12 hinein wird über den Kraftmaschinenansaugkrümmer 34 zu den verschiedenen Zylindern 32 geleitet und sie wird aus den Zylindern 32 heraus über den Kraftmaschinenabgaskrümmer 36 abgeführt. Nach der Verbrennung des Luft/Kraftstoff-Gemisches innerhalb eines speziellen Brennraums (nicht gezeigt) werden Gase nach der Verbrennung (Pfeil EPC) aus einem gegebenen Zylinder 32 über ein oder mehrere (nicht gezeigte) Auslassventile ausgestoßen. Die Gase nach der Verbrennung (Pfeil EPC) werden über ein Abgasrohr 38 an eine Turbine 40 des Turboladersystems 13 geleitet. Eine Drehung der Turbine 40 verursacht eine Drehung einer Turbinenwelle 42, wie allgemein durch Pfeil B angezeigt ist.
  • Die Turbine 40 ist über die Turbinenwelle 42 mit einem Kompressor 44 verbunden, so dass eine Drehung der Turbinenwelle 42 von 2 den Kompressor 44 antreibt oder mit Leistung versorgt. Frische Ansaugluft (Pfeil A) wird durch einen Betrieb des Kompressors 44 in einen Luftansaugkrümmer 46 eingesaugt. Ein erster Zwischenkühler 48 kühlt die komprimierte Luft stromabwärts zu dem Kompressor 44 ab, um dadurch eine Strömung aus gekühlter, komprimierter Luft (Pfeil AC) zu erzeugen. Die gekühlte, komprimierte Luft (Pfeil AC) wird über eine Drosselklappe 52 in den Kraftmaschinenansaugkrümmer 34 hineingelassen. Dieser Prozess wird mit jedem Ansaugzyklus der Kraftmaschine 12 wiederholt, wie in der Technik bekannt ist.
  • Die Kraftmaschine 12 kann eine oder mehrere Abgasrückführungs-Luftströmungsstrecken (AGR-Luftströmungsstrecken) AGRL und AGRH enthalten, welche beide in 2 schematisch gezeigt sind. Die Strömungsstrecke AGRH leitet einen Teil der Gase nach der Verbrennung (Pfeil EPC) durch einen zweiten Zwischenkühler 148 hindurch an den Kraftmaschinenansaugkrümmer 34 als Teil eines Hochdruck-AGR-Prozesses. Analog kann die Strömungsstrecke AGRL als Teil eines Niederdruck-AGR-Prozesses verwendet werden, wobei ein weiteres AGR-Ventil (nicht gezeigt) die Gase nach der Verbrennung (Pfeil EPC) stromabwärts zu einem Oxidationskatalysator (CAT) 56 zurück zu einem Luftansaugkrümmer 46 leitet. Ein jeweiliges Umgehungsventil 58 kann verwendet werden, um einen kalibrierten Anteil der Gase nach der Verbrennung (Pfeil EPC) nach Bedarf um die Turbine 40 herum oder um den Kompressor 44 herum umzuleiten. In 2 sind zwar sowohl Hochdruck- als auch Niederdruck-AGR-Prozesse gezeigt, jedoch kann das Verfahren 100 in einer Kraftmaschine 12 verwendet werden, die keine oder nur eine dieser AGR-Optionen aufweist.
  • Der Controller 50 steht in Kommunikation mit der Vielzahl von Kraftmaschinensensoren 22, wie in 1 gezeigt ist. Mögliche Stellen für die verschiedenen Kraftmaschinensensoren 22 sind in 2 gezeigt. Beispielsweise kann ein Luftmassenströmungssensor (MAF) (SMAF) an dem Ansaugkrümmer 46 in der Ansaugluftströmung (Pfeil A) positioniert und ausgestaltet sein, um ein MAF-Signal (Pfeil MAF) zu messen und an den Controller 50 als Teil der Kraftmaschinenstatussignale (Pfeil 11) auszugeben. Zusätzliche Kraftmaschinensensoren 22 können MAP-Sensoren SP umfassen, die zwischen dem ersten Zwischenkühler 48 und der Drosselklappe 52, z. B. direkt stromaufwärts zu der Drosselklappe 52, und innerhalb des Kraftmaschinenansaugkrümmers 34 selbst positioniert sind. Der Controller 50 kann außerdem Sauerstoff-Ansaugmesswerte (O2-Ansaugmesswerte) über einen optionalen O2-Sensor (SO2) oder über eine Modellierung der AGR-Strömung, wie in der Technik bekannt ist, empfangen.
  • Zudem können Krümmertemperatursensoren (MAT-Sensoren) (ST) an dem zweiten Zwischenkühler 148, zwischen dem ersten Zwischenkühler 48 und der Drosselklappe 52 und innerhalb des Kraftmaschinenansaugkrümmers 34 positioniert sein. Ein optionaler AFR-Sensor (SAFR) kann wie gezeigt direkt stromabwärts zu dem Katalysator 56 positioniert sein, etwa in einem Auspuffrohr 55, oder dieser Sensor kann weggelassen sein und anstelle dieser Messung kann ein kalibriertes AFR verwendet werden, z. B. der stöchiometrische Punkt für den speziellen Kraftstoff, der gerade durch die Kraftmaschine 12 verbraucht wird. In dieser Ausführungsform enthalten die Kraftmaschinenstatussignale (Pfeil 11) von 2 alle Messungen, die von den verschiedenen Kraftmaschinensensoren 22 ausgeführt werden.
  • Zum Zweck des Ausführens der Schritte des Verfahrens 100 ist die Kraftmaschine 12 von 2 in separate Steuerungsvolumina V2 und V3 unterteilt. Das Steuerungsvolumen V2 enthält das Luftvolumen der Kraftmaschine 12 an der Ansaugseite der Kraftmaschine 12, d. h. das Luftvolumen von dem Luftansaugkrümmer 46 bis direkt stromabwärts zu der Drosselklappe 52. Das Steuerungsvolumen V3 ist das Luftvolumen des Kraftmaschinenansaugkrümmers 34. Die beiden Steuerungsvolumina V2 und V3 sind vorbestimmte oder kalibrierte Werte, die im Speicher (M) des Controllers 50 aufgezeichnet sind und für den Prozessor (P) leicht zugänglich sind, wenn sie beim Ausführen des Verfahrens 100 benötigt werden.
  • Mit Bezug auf 3 beginnt eine beispielhafte Ausführungsform des Verfahrens 100 bei Schritt 102, wobei der Controller 50 von 1 und 2 die gemessene Luftmassenströmung von dem MAF-Sensor SMAF empfängt, welcher in 2 schematisch gezeigt ist. Dieser Schritt ist in 3 als ”REC MAF” abgekürzt. Dieser empfangene Wert, der Teil der Kraftmaschinenstatussignale (Pfeil 11) ist, wird ein gutes Stück stromaufwärts zu den Zylindern 32 der Kraftmaschine 12 gemessen, beispielsweise nahe bei oder innerhalb des Luftansaugkrümmers 46. Das Verfahren 100 geht dann zu Schritt 104 weiter.
  • Schritt 104 umfasst, dass die Krümmerdrücke (MAP) mit Hilfe der MAP-Sensoren SP und die Krümmertemperaturen (MAT) von den MAT-Sensoren ST empfangen oder anderweitig ermittelt werden, wobei beide einen Teil der Kraftmaschinenstatussignale (Pfeil 11) bilden, die in 1 gezeigt sind. Dieser Schritt ist in 3 als ”REC MAP, MAT” abgekürzt. Für die Zwecke der nachstehend offengelegten mathematischen Beziehungen können die MAP-Sensoren SP speziell zwei Krümmerdrücke P2 und P3 messen, d. h. separate Krümmerdrücke direkt stromaufwärts zu der Drosselklappe 52 und innerhalb oder nahe bei dem Kraftmaschinenansaugkrümmer 34. Die MAT-Sensoren ST können Krümmertemperaturen T2, T3, T8 und T9 messen.
  • Mit Bezug auf 2 werden die vorstehend erwähnten Krümmertemperaturen T2, T3, T8 und T9 jeweils am Einlass zu der Drosselklappe 52, innerhalb des Kraftmaschinenansaugkrümmers 34, direkt stromabwärts zu dem ersten Zwischenkühler 48 und an dem oder in der Nähe des zweiten Zwischenkühlers 148 ermittelt. Zur Reduktion der Anzahl der MAT-Sensoren ST, die an Bord des Fahrzeugs 10 verwendet werden und unter der Voraussetzung der Nähe der Krümmertemperaturen T2 und T8 kann nur ein Sensor zwischen dem ersten Zwischenkühler 48 und der Drosselklappe 52 verwendet werden. Bei einer derartigen Ausführungsform kann die Temperatur T2 als gleich wie die Temperatur T8 betrachtet werden und folglich kann der eine Wert oder der andere anstelle von beiden Werten verwendet werden. Sobald die Werte von Schritt 104 gemessen oder anderweitig ermittelt worden sind, geht das Verfahren 100 zu Schritt 106 weiter.
  • Bei Schritt 106 umfasst das Verfahren 100, dass O2-Niveaus direkt stromaufwärts zu der Drosselklappe 52 von 2 ermittelt werden (”DET 02”), entweder von dem optionalen O2-Sensor (SO2) oder mit Hilfe einer Modellierung, wie in der Technik bekannt ist. Die nachstehend beschriebene mathematische Herangehensweise trifft auf beide Bedingungen zu. Der einzige Unterschied besteht darin, wie der Controller 50 über die O2-Niveaus informiert wird. Das Verfahren 100 geht zu Schritt 108 weiter, sobald die O2-Niveaus ermittelt worden sind.
  • Zur Wiederholung besteht eine Kernaufgabe, die von dem Controller 50 mit Bezug auf das Verfahren 100 ausgeführt wird, in der Berechnung der Gesamtmasse von Gasen, die in die Zylinder 32 der Kraftmaschine 12 hineinströmen, welche anderweitig als die gesamte Zylinderluftladung bekannt ist, und darin, wie viel von dieser Masse Frischluft ist, d. h. eine Zylinder-Frischluftladung. Der Teil der Luftmasse, der keine Frischluft ist, stammt von dem AGR-Prozess. Schritt 108 von 3 ist daher als ”CALC ṁ34, ṁ34F” abgekürzt.
  • Das größte Problem beim Berechnen einer Zylinderluftladung unter Verwendung von Sensorinformationen besteht darin, dass die beispielsweise von einem Luftmassenströmungssensor gemessene Luftströmung keine direkte Messung der Zylinderluftströmung ist. Die gemessene Luftströmung muss Auffüll- und Entleerungsdynamiken in den verschiedenen Steuerungsvolumina durchlaufen, bevor sie den Zylinder erreicht. Das hier offenbarte Verfahren 100 nutzt die Auffüll- und Entleerungsdynamiken, um den Effekt der Auffüll- und Entleerungsdynamiken aus der gemessenen Luftströmung zu entfernen. Das Standardmodell für Auffüll- und Entleerungsdynamiken für ein Steuerungsvolumen mit einem Volumen V ist gegen durch:
    Figure DE102016105291A1_0006
    wobei P der Luftdruck ist, ṁin die Strömungsrate der Luftmasse (verbrannt und frisch) in das Volumen hinein ist, Tin die Temperatur der Luftmasse ist, die in das Volumen hineinströmt, ṁout die Strömungsrate der Luftmasse (verbrannt und frisch) aus dem Volumen heraus ist, Tout die Temperatur der Luftmasse ist, die aus dem Volumen herausströmt, und γ der Isotropenexponent [engl.: ratio of specific heat] für die Luft ist. Unter Verwendung dieser Gleichung kann ṁout wie folgt berechnet werden:
    Figure DE102016105291A1_0007
  • Dies ermöglicht, dass die Strömung aus einem gegebenen Steuerungsvolumen heraus berechnet werden kann, wenn die Strömung in das Volumen hinein gemessen wird.
  • Die vorstehende Berechnung erfordert das Berechnen der Ableitung des Krümmerdrucks. Zur Feinabstimmung der Drucksignalinformationen kann eine bereinigte Ableitung des Drucks unter Verwendung eines homogenen Differenzierers wie folgt berechnet werden:
    Figure DE102016105291A1_0008
  • In diesen Gleichungen sind α und β kalibrierte Konstante. Diese Herangehensweise kann verwendet werden, um Signalrauschen in ansonsten verrauschten Drucksignalen zu verringern.
  • Als Teil von Schritt 108 berücksichtigt der Controller 50 von 1 die eindeutigen Druckdynamiken in dem Kraftmaschinenansaugkrümmer 34, d. h., Ṗ3 und auch direkt stromaufwärts zu der Drosselklappe 52, d. h., Ṗ2. Wenn kein Turbolader und keine AGR vorhanden sind, dann stellt MAF die Luftmassenströmung in den Kraftmaschinenansaugkrümmer hinein bereit. Die Beziehung zwischen Strömung und Druck kann ausgedrückt werden als:
    Figure DE102016105291A1_0009
    wobei ṁ34 die Luftmassenströmung in die Zylinder 32 hinein ist, die der Controller 50 letztendlich zu ermitteln versucht.
  • Für turbogeladene Systeme, die keinen AGR-Prozess verwenden, kann diese Beziehung wie folgt ausgedrückt werden:
    Figure DE102016105291A1_0010
    wobei ṁ82 die gemessene Luftmassenströmung in 2 ist, ṁ23 die Luftmassenströmung über die Drosselklappe 52 hinweg in den Kraftmaschinenluftansaugkrümmer 34 hinein ist, ṁ34 die Luftmassenströmung in die Zylinder 32 hinein ist, die der Controller 50 letztendlich zu ermitteln versucht, und T2 die Krümmertemperatur direkt stromabwärts zu dem ersten Zwischenkühler 48 ist.
  • Wenn ein Niederdruck-AGR-Prozess verwendet wird, ist die Strömungsstrecke von Pfeil AGRL von 2 vorhanden. Die Dynamikgleichung von Ṗ3 bleibt die Gleiche wie diejenige eines turbogeladenen Systems ohne Verwendung eines AGR-Prozesses. Die Dynamiken für Ṗ2 werden jedoch wie folgt modifiziert:
    Figure DE102016105291A1_0011
  • Wenn ein Hochdruck-AGR-Prozess verwendet wird, ist die Strömungsstrecke von Pfeil AGRH von 2 vorhanden. Die Verwendung eines derartigen AGR-Prozesses erfordert eine Modifikation der vorstehenden Ṗ3-Gleichung wie folgt:
    Figure DE102016105291A1_0012
    d. h. die Luftmassenströmung aufgrund der AGR-Strömung (Pfeil AGRH) direkt stromaufwärts zu dem zweiten Zwischenkühler 148 wird zusammen mit der Temperatur an dem zweiten Zwischenkühler 248 oder ein wenig stromabwärts von diesem berücksichtigt. Die Dynamiken für Ṗ2 sind die Gleichen wie für das turbogeladene System ohne einen AGR-Prozess. Die Verwendung eines Hochdruck-AGR-Prozesses beeinflusst außerdem die Dynamiken des Anteils verbrannter Gase, wie nachstehend offengelegt wird.
  • Bei einer Kraftmaschinenkonfiguration ohne AGR müssen nur die Druckdynamiken im Ansaugkrümmer berücksichtigt werden. Aufgrund der vorstehend beschriebenen Gleichung kann die frische Ladung in den Zylinder hinein berechnet werden als:
    Figure DE102016105291A1_0013
  • Bei einer Kraftmaschinenkonfiguration mit einem Turbolader aber ohne jeden AGR-Prozess müssen die Druckdynamiken im Steuerungsvolumen V2 zusätzlich zu den Druckdynamiken im Ansaugkrümmer (Steuerungsvolumen V3) berücksichtigt werden. Folglich können die Gesamtzylinderluftladung sowie die Zylinderfrischluftladung berechnet werden als:
    Figure DE102016105291A1_0014
  • Als Teil von Schritt 108 berücksichtigt der Controller 50 von 1 und 2 außerdem den Anteil f2 verbrannter Gase, welcher von dem optionalen Sauerstoffsensor SO2 von 2 (Schritt 110) oder von einer Modellierung stammen kann. Der Anteil verbrannter Gase muss für Systemkonfigurationen mit AGR berücksichtigt werden. Wie in der Technik bekannt ist, misst ein typischer Sauerstoffsensor tatsächlich den partiellen Druck von Sauerstoff in einer gegebenen Luftströmung. Daraus kann der Controller 50 leicht ermitteln, wie viel Sauerstoff verbrannt worden ist, gegenüber dem, wie viel Frischluft in einer gegebenen Luftströmung verbleibt. Der Prozentsatz von Sauerstoff in Umgebungsluft beträgt für gewöhnlich etwa 20,7%. Folglich teilt die nachstehende Steuerungsvariable ṁ34f dem Controller 50 mit, wie viel Kraftstoff eingespritzt werden muss, und die Ermittlung der Steuerungsvariablen ṁ34f ist ein letztendliches Steuerungsziel des Verfahrens 100.
  • Wenn nur ein Niederdruck-AGR-Prozess und die Strömung des Pfeils AGRL in 2 verwendet werden, wird f2 wie folgt offengelegt:
    Figure DE102016105291A1_0015
    wobei ṁ61 die Luftmassenströmung aufgrund einer Niederströmungs-AGR (Pfeil AGRL) ist, d. h. vom Auslass des Katalysators 56 zum Luftansaugkrümmer, V2 das kalibrierte Steuerungsvolumen des Kompressors 44, des ersten Zwischenkühlers 48 und des Krümmervolumens zwischen dem ersten Zwischenkühler 148 und der Drosselklappe 52 ist und ṁ01 die von dem Sensor SMAF gemessene Luftmassenströmung ist. Hier ist
    Figure DE102016105291A1_0016
    wobei λS die Weitbereichsmessung des stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses von dem O2-Sensor ist, λ6 die Luft/Kraftstoff-Messung stromabwärts zu dem Katalysator 56 ist und f2 der Anteil verbrannter Gase vor der Drosselklappe 52 ist, und wobei
    Figure DE102016105291A1_0017
    wobei fO2 der Anteil ist, der von dem O2-Sensor gemessen wird. Zum Ermitteln von λ6 kann ein Weitbereichssensor für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis, etwa der Sensor SAFR von 2, am Ausgang des Katalysators 56 positioniert werden, oder im Spezialfall einer stöchiometrisch arbeitenden Kraftmaschine 12 kann angenommen werden, dass der Katalysator 56 einen Wirkungsgrad von 100% aufweist, und folglich kann als Vereinfachung angenommen werden, dass λ6 gleich λS ist, z. B. 14,7 für eine Benzinkraftmaschine 12.
  • Wenn ein Niederdruck-AGR-Prozess verwendet wird, wird die AGR-Strömungsrate (WAGR) ermittelt und wie folgt berücksichtigt:
    Figure DE102016105291A1_0018
  • Daraus wird die Zylindermassenströmungsrate ṁ34, welche ein Steuerungsziel des Controllers 50 ist, wie folgt ermittelt:
    Figure DE102016105291A1_0019
    wobei V3 wiederum das Steuerungsvolumen des Kraftmaschinenansaugkrümmers 34 ist, d. h. ein kalibrierter Wert. Sobald der Wert von ṁ34 bekannt ist, kann der Anteil der Frischluft in der Zylindermassenströmungsrate ermittelt werden als ṁ34f = (ṁ34)(1 – f2).
  • Wenn ein Hochdruck-AGR-Prozess verwendet wird, werden die dynamischen Gleichungen etwas modifiziert, um die Hochdruck-AGR-Strömung (Pfeil AGRH) zu berücksichtigen. Der Anteil verbrannter Gase wird wie folgt ermittelt:
    Figure DE102016105291A1_0020
    wobei
    Figure DE102016105291A1_0021
    wobei f3 der Anteil verbrannter Gase am Lufteinlass der Kraftmaschine ist. In diesem Fall wird die AGR-Strömung berücksichtigt als:
    Figure DE102016105291A1_0022
    Und
    Figure DE102016105291A1_0023
  • Analog zu dem Fall der Niederdruck-AGR kann, sobald der Wert von ṁ34 bekannt ist, der Anteil der Frischluft in der Zylinderluftmassenströmungsrate ermittelt werden als ṁ34f = (ṁ34)(1 – f3).
  • Sobald der Anteil der Frischluftmassenströmung ṁ34 bekannt ist, geht das Verfahren 100 zu Schritt 110 weiter, wobei der Controller 50 an dieser Stelle eine Steuerungsmaßnahme (”EX CA”) mit Bezug auf die Kraftmaschine 12 von 1 ausführt. Diese wird von dem Controller 50 über eine Übertragung der Kraftmaschinensteuerungssignale (Pfeil 111) von 1 befohlen. Beispielsweise kann der Controller 50 den Wert von ṁ34 mit einem kalibrierten Schwellenwert vergleichen, um zu ermitteln, ob die Frischluftmenge ausreicht, und er kann dann eine Position der Drosselklappe 52 verstellen und/oder die Rate der Kraftstoffeinspritzung an die Zylinder 32 von 2 verändern, um dadurch das Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu modifizieren. Auf diese Weise verwendet der Controller 50 von 1 beliebige verfügbare Sensorsignale und die bekannten dynamischen Gleichungen der Kraftmaschinenluftstrecken, wie vorstehend offengelegt, um die Zylinderluftladung direkt zu berechnen und anschließend einen Betrieb der Kraftmaschine 12 unter Verwendung der berechneten Zylinderluftladung zu steuern.
  • Obwohl einige der besten Arten und andere Ausführungsformen zum Ausführen der beanspruchten Offenbarung im Detail beschrieben wurden, existieren verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen, um die Offenbarung, die in den beigefügten Ansprüchen offengelegt ist, in die Praxis umzusetzen. Außerdem dürfen die in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen oder die Eigenschaften von verschiedenen Ausführungsformen, die in der vorliegenden Beschreibung erwähnt wurden, nicht unbedingt als voneinander unabhängig aufgefasst werden. Stattdessen ist es möglich, dass die Eigenschaften, die in einer oder mehreren der offenbarten beispielhaften Ausführungsformen beschrieben sind, mit einer oder mehreren Eigenschaften von anderen Ausführungsformen kombiniert werden können, was zu weiteren Ausführungsformen führt, die nicht mit Worten oder durch Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben sind. folglich ist es beabsichtigt, dass diese weiteren Ausführungsformen in den Rahmen des Umfangs der beigefügten Ansprüche fallen.

Claims (9)

  1. System, das umfasst: eine Kraftmaschine mit einem Kraftmaschinenansaugkrümmer, einem Luftansaugkrümmer, der Luft aus der Umgebung empfängt, einem Kompressor, der die von dem Luftansaugkrümmer empfangene Umgebungsluft empfängt und komprimiert, einer ersten Nachkühlungsvorrichtung, welche die von dem Kompressor komprimierte Luft empfängt und kühlt, einer Drosselklappe stromabwärts zu der ersten Nachkühlungsvorrichtung, welche die gekühlte komprimierte Luft in den Kraftmaschinenansaugkrümmer hinein lässt, und mit Zylindern, welche die von der Drosselklappe hereingelassene, gekühlte komprimierte Luft zur Verbrennung darin empfangen; eine Vielzahl von Kraftmaschinensensoren, die betrieben werden können, um einen Satz von Kraftmaschinenstatussignalen zu ermitteln, welche einen ersten Krümmerdrucksensor (MAP-Sensor), der an der ersten Nachkühlungsvorrichtung positioniert ist, einen zweiten MAP-Sensor, der an dem Kraftmaschinenansaugkrümmer positioniert ist, einen Luftmassenströmungssensor (MAF-Sensor), der in dem Luftansaugkrümmer positioniert ist, einen ersten Krümmertemperatursensor (MAT-Sensor), der in dem Kraftmaschinenansaugkrümmer positioniert ist, und einen zweiten MAT-Sensor, der zwischen der ersten Nachkühlungsvorrichtung und der Drosselklappe positioniert ist, umfassen; und einen Controller, der programmiert ist, um eine Luftladung der Zylinder der Kraftmaschine unter Verwendung eines Sauerstoffniveaus der gekühlten komprimierten Luft und des Satzes von Kraftmaschinenstatussignalen zu berechnen und um einen Betrieb der Kraftmaschine unter Verwendung der berechneten Luftladung mit Hilfe des Erzeugens und des Übertragens eines Satzes von Kraftmaschinensteuerungssignalen zu steuern.
  2. System nach Anspruch 1, wobei der Controller programmiert ist, um den Betrieb der Kraftmaschine zu steuern, indem er ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis der Kraftmaschine verändert.
  3. System nach Anspruch 2, wobei der Controller programmiert ist, um das Luft/Kraftstoff-Verhältnis der Kraftmaschine zu verändern, indem er eine offene/geschlossene Position der Drosselklappe modifiziert.
  4. System nach Anspruch 2, wobei der Controller programmiert ist, um das Luft/Kraftstoff-Verhältnis der Kraftmaschine zu verändern, indem er eine Kraftstoffeinspritzrate der Zylinder modifiziert.
  5. System nach Anspruch 1, wobei die Kraftmaschine einen Abgaskrümmer, eine mit dem Kompressor verbundene Turbine und eine zweite Nachkühlungsvorrichtung, die stromaufwärts zu der Turbine positioniert ist, enthält, wobei die Turbine über Gase nach der Verbrennung aus der Kraftmaschine angetrieben wird, um dadurch den Kompressor anzutreiben, und wobei eine Hochdruck-Abgasrückführungs-Strömungsstrecke einen kalibrierten Anteil der Gase nach der Verbrennung über die zweite Nachkühlungsvorrichtung an die Zylinder liefert.
  6. System nach Anspruch 1, wobei die Kraftmaschine einen Abgaskrümmer, eine mit dem Kompressor verbundene Turbine und eine zweite Nachkühlungsvorrichtung, die stromaufwärts zu der Turbine positioniert ist, enthält, wobei die Turbine über Gase nach der Verbrennung aus der Kraftmaschine angetrieben wird, um dadurch den Kompressor anzutreiben, und wobei eine Niederdruck-Abgasrückführungs-Strömungsstrecke einen Anteil der Gase nach der Verbrennung über die zweite Nachkühlungsvorrichtung an die Zylinder liefert.
  7. System nach Anspruch 6, das ferner einen Katalysator stromabwärts zu der Turbine umfasst, wobei die Vielzahl von Kraftmaschinensensoren einen Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor enthält, der stromabwärts zu dem Katalysator positioniert ist und betrieben werden kann, um ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis der Gase nach der Verbrennung zu messen.
  8. System nach Anspruch 1, wobei der Controller programmiert ist, um eine Druckableitung von Drucksignalen von den ersten und zweiten MAP-Sensoren mit Hilfe eines homogenen Differenzierers zu berechnen.
  9. System nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Kraftmaschinensensoren einen Sauerstoffsensor enthält, der zwischen der Drosselklappe und der ersten Nachkühlungsvorrichtung positioniert ist und der betrieben werden kann, um das Sauerstoffniveau zu ermitteln.
DE102016105291.4A 2015-03-30 2016-03-22 Kraftmaschinensteuerung unter Verwendung einer berechneten Zylinderluftladung Active DE102016105291B4 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US14/672,321 US9482164B2 (en) 2015-03-30 2015-03-30 Engine control using calculated cylinder air charge
US14/672,321 2015-03-30

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102016105291A1 true DE102016105291A1 (de) 2016-10-06
DE102016105291B4 DE102016105291B4 (de) 2022-06-09

Family

ID=56937581

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102016105291.4A Active DE102016105291B4 (de) 2015-03-30 2016-03-22 Kraftmaschinensteuerung unter Verwendung einer berechneten Zylinderluftladung

Country Status (2)

Country Link
US (1) US9482164B2 (de)
DE (1) DE102016105291B4 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4092259A1 (de) * 2021-05-21 2022-11-23 Garrett Transportation I Inc. Motormassenstrombeobachter mit fehlerbegrenzung

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10378470B2 (en) * 2017-06-12 2019-08-13 Ford Global Technologies, Llc Method and system for diagnosing boost pressure control
US11454180B1 (en) 2021-06-17 2022-09-27 Cummins Inc. Systems and methods for exhaust gas recirculation

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7047741B2 (en) * 2002-08-08 2006-05-23 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The Environmental Protection Agency Methods for low emission, controlled temperature combustion in engines which utilize late direct cylinder injection of fuel
ATE391842T1 (de) 2004-06-15 2008-04-15 Fiat Ricerche Verfahren und einrichtung zur bestimmung der ansaugluftmenge einer brennkraftmaschine basierend auf der messung der sauerstoff- konzentration in einem der brennkraftmaschine zugeführten gasgemisch
US7640744B2 (en) * 2005-12-02 2010-01-05 Ford Global Technologies, Llc Method for compensating compressor lag of a hybrid powertrain
US7621126B2 (en) * 2006-04-05 2009-11-24 Ford Global Technoloigies, LLC Method for controlling cylinder air charge for a turbo charged engine having variable event valve actuators
US7512479B1 (en) 2007-11-19 2009-03-31 Southwest Research Institute Air fraction estimation for internal combustion engines with dual-loop EGR systems
US8251049B2 (en) * 2010-01-26 2012-08-28 GM Global Technology Operations LLC Adaptive intake oxygen estimation in a diesel engine
DE102010037650B4 (de) 2010-09-20 2016-02-11 Denso Corporation O2-Regelungssystem für einen Verbrennungsmotor und Verfahren zur Regelung der O2-Konzentration

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4092259A1 (de) * 2021-05-21 2022-11-23 Garrett Transportation I Inc. Motormassenstrombeobachter mit fehlerbegrenzung

Also Published As

Publication number Publication date
US20160290256A1 (en) 2016-10-06
US9482164B2 (en) 2016-11-01
DE102016105291B4 (de) 2022-06-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102015120096B4 (de) Verfahren zur Vorsteuerung von Turboladern für verstärkte Kraftmaschinen mit einer AGR mit mehreren Routen
DE60320199T2 (de) Vorrichtung zur Schätzung der Abgasrückführrate in einer Brennkraftmaschine
DE102015016095B4 (de) Verfahren und Systeme zur Diagnose eines Einlasssauerstoffsensors basierend auf Druck
DE112005001727B4 (de) Schätzung der Sauerstoffkonzentration im Einlasskrümmer eines ungedrosselten Magermotors
DE102011009114B4 (de) Adaptive Schätzung von Ansaugsauerstoff in einem Dieselmotor
DE102011122506A1 (de) Steuerung von AGR, Frischluftmassenstrom und Ladedruck für Verbrennungsmotoren
DE2849554A1 (de) Einrichtung zum festlegen der zusammensetzung des gas-inhalts von zylindern bei brennkraftmaschinen
DE102015118971A1 (de) Systeme und Verfahren für eine CBV-Diagnostik
DE102010056514A1 (de) NOX-Regelung mit innerer und äußerer Abgasrückführung
DE112007000409B4 (de) Verfahren zum Steuern von Turbinenauslasstemperaturen in einem Dieselmotor
EP2921678A1 (de) Brennkraftmaschine, insbesondere Gasmotor, für ein Kraftfahrzeug
DE102016105291B4 (de) Kraftmaschinensteuerung unter Verwendung einer berechneten Zylinderluftladung
DE102019209028A1 (de) Steuervorrichtung für Verbrennungsmotor
DE102012211425A1 (de) Verfahren zur Bestimmung einer Drehzahl eines Verdichters
DE102004026006A1 (de) Steuergerät und Steuerverfahren für eine Brennkraftmaschine
EP1273782A2 (de) Verfahren zur Bestimmung von Kennfelddaten zur Kennfeldsteuerung eines Verbrennungsmotors sowie Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors
DE102011052437A1 (de) Abgas-Steuerverfahren eines Motors
DE102011004068B3 (de) Verfahren und Steuervorrichtung zum Gleichstellen mehrerer Zylinder einer Brennkraftmaschine
DE102020121741A1 (de) Verfahren zum verhindern eines motorluftstromberechnungsfehlers und motorsystem davon
DE102014214438B3 (de) Verfahren zur Steuerung der Kraftstoffzufuhr zur Einstellung eines gewünschten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in einem Zylinder eines Verbrennungsmotors
DE102012004556B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen eines Verbrennungsluftmassenstroms
DE102015107803A1 (de) Schätzung eines Turbinenexpansionverhältnisses für eine modellbasierte Ladesteuerung
DE102010055641B4 (de) Verfahren und Steuereinrichtung zur Ermittlung einer Rußbeladung eines Partikelfilters
DE102018127499A1 (de) Abgasrückführungssystem für eine Brennkraftmaschine
DE10162970B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des Abgasrückführmassenstroms eines Verbrennungsmotors

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R016 Response to examination communication
R018 Grant decision by examination section/examining division
R020 Patent grant now final