DE102016120486A1

DE102016120486A1 - Verfahren und systeme zur luftstromsteuerung

Info

Publication number: DE102016120486A1
Application number: DE102016120486.2A
Authority: DE
Inventors: John Erik Mikael Hellstrom; Karen Elizabeth Maceroni; Jeffrey Allen Doering; Daniel Joseph Styles
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2015-10-30
Filing date: 2016-10-27
Publication date: 2017-05-04
Also published as: CN106640382A; US20170122228A1; RU2016141127A3; RU2016141127A; CN106640382B; US9650973B1

Abstract

Verfahren und Systeme zur Luftstromsteuerung in einem Motorsystem werden vorgesehen, das einen Drosselturbinengenerator mit einer Turbine und einem Turbinengenerator umfasst. In einem Beispiel kann ein Verfahren ein Einstellen eines Winkels einer Drossel, die in einem Motoransaugtrakt positioniert ist, auf der Basis eines gewünschten Luftstroms umfassen, indem die Effekte auf den Drosselwinkel aufgrund der Drehbewegung der Turbine berücksichtigt werden, wodurch der Luftstrom in das Motorsystem genau gesteuert wird. Das Verfahren kann ferner ein Voraussagen eines Luftstroms in das Motorsystem auf der Basis der Position der Drossel umfassen, wodurch das Drehmoment des Motorsystems genau überwacht wird.

Description

Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Verfahren und Systeme zur Luftstromsteuerung in einem Motorsystem, das einen Drosselturbinengenerator umfasst.
Hintergrund/Kurzfassung
Motorsysteme können mit Vorrichtungen wie einem Drosselturbinengenerator ausgelegt sein, um Energie aus einer Druckdifferenz über einer Drossel zu nutzen, die ansonsten in einem Ansaugtrakt eines Motors vergeudet wird. Beispielsweise kann der Drosselturbinengenerator von einer Druckdifferenz über einer teilweise offenen Drossel angetrieben werden, wenn der Motor auf Teillast läuft. In einigen Beispielen umfasst der Drosselturbinengenerator eine mechanisch mit dem Drosselturbinengenerator gekoppelte Turbine, die Strom erzeugen kann, der einer Batterie des Motors zugeführt wird. Durch das Laden der Batterie mit einem solchen Generator kann die Kraftstoffeinsparung des Motorsystems verbessert werden.
Ein Beispiel eines derartigen Motorsystems wird von Leone et al in US20130092125 gezeigt. Darin ist ein Drosselturbinengenerator in einer Drosselumgehung positioniert. Ein Drosselumgehungsventil wird auf der Basis eines Motorluftstrombedarfs gesteuert, um den Luftstrom durch den Drosselturbinengenerator einzustellen. Zusätzlich wird eine Drosselposition während Motorübergängen gesteuert, um einen Motorluftstrombedarf zu erfüllen.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben jedoch hier potentielle Probleme mit einem solchen System erkannt. Wenn als Beispiel die Druckdifferenz über dem Ansaugkrümmer verwendet wird, um die Turbine unter Verwendung der Drossel zu betreiben, wird die Luftstromsteuerung um den Ansaugkrümmer aufgrund kontinuierlich variierender Drehzahlen der Turbine und/oder des Generators anspruchsvoller. Zusätzlich beeinflusst jede Änderung der Drosselposition gleichzeitig zwei Wege in der Einlassseite des Motors, wodurch die Luftstromsteuerung über die Drossel anspruchsvoll wird. Um den Luftstrom genau zu schätzen, können Variablen wie der Drosselwinkel, die Querschnittsfläche der durch die Drossel gebildeten Verengung, die Druckdifferenz über dem Ansaugkrümmer und die Turbinendrehzahl adaptiv gesteuert werden müssen. Um angesichts der mehreren Variablen eine genaue Luftstromsteuerung zu erzielen, kann oder können an sich eine oder mehrere vierdimensionale Leistungskarten generiert, gespeichert werden und rasch zugänglich sein müssen. Das Generieren, Speichern von und Zugreifen auf komplizierte vierdimensionale Karten kann jedoch zeit-, speicher- und rechnerintensiv sein. Abgesehen von der Komplexität des Generierens von und Zugreifens auf die hochdimensionalen Karten können sie insbesondere auch aufgrund von Speichereinschränkungen unzulässig groß in einer Motorsteuereinheit zu speichern sein. Als weiteres Beispiel wird bei Leone die Drosselposition nur während Übergängen eingestellt. Es kann jedoch zu Luftstromfehlern auch während stationärer Bedingungen aufgrund von Variationen (z.B. momentanen) der Geschwindigkeit der Turbine und/oder des Generators kommen.
Die Erfinder haben gefunden, dass durch Ermitteln der Druckdifferenz, die über dem Ansaugkrümmer generiert wird, als Funktion des Drosselwinkels mindestens eine zweidimensionale Karte erzeugt werden kann (z.B. in Echtzeit oder im Voraus) und in dem Speicher einer Motorsteuereinheit gespeichert werden kann. Hier kann auf der Basis jedes von der Druckdifferenz und dem Drosselwinkel die effektive Querschnittsfläche der Verengung um die Drossel tabelliert werden. Ferner kann eine Korrektur der effektiven Querschnittsfläche der Verengung bestimmt werden, indem beispielsweise die Effekte der Turbinendrehzahl eingeschlossen werden, die als getrennte zweidimensionale Karte gespeichert werden können. Durch die Vornahme numerischer Approximationen an den mindestens zwei zweidimensionalen Karten kann der Drosselwinkel für eine effektive Luftstromsteuerung genau bestimmt werden. Zusätzlich kann es aus den beiden zweidimensionalen Karten auch möglich sein, den Luftstrom bei einem gegebenen Drosselwinkel genau vorauszusagen, was dann beispielsweise für die Schätzung des Luftstroms in den Verteiler zur Drehmomentüberwachung verwendet werden kann. Dies führt zu einem Ansatz, der weniger rechner-, speicher- und zeitintensiv ist, ohne die Genauigkeit der Luftstromschätzung zu beeinträchtigen. Ferner wird die Lufstromsteuerung nicht nur während transienter Zustände vorgenommen, wie von Leone et al gezeigt, sondern während anderer Zustände, wie des stationären Zustands, Leerlaufs, etc.
In einem Beispiel kann die Motorluftstromsteuerung durch ein Verfahren erzielt werden, welches umfasst: Vorwärtseinstellen einer Einlassdrossel, die mit einer Drosselturbine gekoppelt ist, auf der Basis eines Fahrerdrehmomentbefehls; und weiteres Einstellen der Einlassdrossel auf der Basis jeder von einer ersten Funktion einer Druckdifferenz über der Drosselturbine und einer zweiten, anderen Funktion der Druckdifferenz, multipliziert mit der Turbinendrehzahl. Auf diese Weise kann die Luftstromsteuerung genau und effizient vorgenommen werden.
Als Beispiel kann, ansprechend auf einen Fahrerdrehmomentbefehl, das angeforderte Drehmoment von einem Motor durch das Einstellen eines Drosselwinkels einer Einlassdrossel geliefert werden. Da das Einstellen des Drosselwinkels auch eine effektive Querschnittsfläche einer von der Drossel gebildeten Verengung an einem Einlassrohr einstellt, kann eine Motorsteuereinheit ausgelegt sein, den Einfluss der Turbinendrehzahl auf die effektive Querschnittsfläche der Verengung zu berücksichtigen. Insbesondere kann die Steuereinheit auf eine oder mehrere zweidimensionale (2D) Karten Bezug nehmen, die in dem Speicher der Steuereinheit gespeichert sind, um diesen Effekt herauszusubtrahieren, wodurch eine genaue Steuerung des Luftstroms ermöglicht wird, um das angeforderte Drehmoment zu liefern. Beispielsweise kann die Steuereinheit eine erste 2D Karte verwenden, um eine erste (z.B. anfängliche) Einstellung für die Position (wie den Winkel) der Einlassdrossel auf der Basis einer ersten Funktion einer Druckdifferenz über der Drosselturbine zu ermitteln. Ferner kann die Steuereinheit eine andere 2D Karte verwenden, um eine zweite, andere (z.B. weitere) Einstellung an der Position der Einlassdrossel auf der Basis jedes von der Druckdifferenz über der Drossel und einer Turbinendrehzahl eines Drosselturbinengenerators zu ermitteln, der in einer Umgehung quer über die Drossel gekoppelt ist. Als solche können die Karten beispielsweise auch zur Bestimmung einer ersten Luftstrommenge auf der Basis des Drosselwinkels zur Drehmomentüberwachung verwendet werden. Beispielsweise kann die Steuereinheit eine erste 2D Karte verwenden, um eine Luftstrommenge in den Motor auf der Basis der Position (wie des Winkels) der Einlassdrossel auf der Basis einer ersten Funktion einer Druckdifferenz über der Drosselturbine zu ermitteln. Ferner kann die Steuereinheit eine weitere 2D Karte verwenden, um eine zweite, andere (z.B. weitere) Einstellung der Luftstrommenge auf der Basis jedes von der Druckdifferenz über der Drossel und einer Turbinendrehzahl eines Drosselturbinengenerators, der in einer Umgehung über der Drossel gekoppelt ist, zu ermitteln.
Auf diese Weise können eine genaue Luftstrom- und Drehmomentsteuerung in Anwesenheit einer Einlassdrosselturbine und eines Turbinengenerators vorgesehen werden. Der technische Effekt der Einstellung eines Einlassdrosselwinkels auf der Basis einer Druckdifferenz über der Drosselturbine sowie der Turbinendrehzahl ist, dass der Druck und Luftstromeffekt aufgrund der Änderung des Drosselwinkels besser kompensiert werden können. Durch das Zurückgreifen auf eine oder mehrere 2D Karten kann die Luftstromsteuerung mit erhöhter Genauigkeit vorgenommen werden, ohne mehrere rechner-, speicher- und zeitintensive Algorithmen oder Karten zu verwenden. Zusätzlich kann die Luftstromsteuerung über einen breiteren Bereich von Motorbetriebsbedingungen vorgenommen werden, einschließlich transienter und stationärer Motorbetriebsbedingungen. Insgesamt kann es durch die Verbesserung der Luftstromsteuerung möglich sein, Kraftstoffersparnisvorteile zu erhalten, während Fahrbarkeits- und Emissionsanforderungen aufrechterhalten werden. Es ist klar, dass die obige Kurzfassung vorgesehen ist, um in vereinfachter Form eine Auswahl von Konzepten vorzustellen, die in der detaillierten Beschreibung weiter beschrieben werden. Es sollen keine Schlüssel- oder wesentlichen Merkmale des beanspruchten Gegenstands identifiziert werden, dessen Umfang einzig durch die Ansprüche definiert wird, die der detaillierten Beschreibung folgen. Ferner ist der beanspruchte Gegenstand nicht auf Implementierungen beschränkt, die irgendwelche oben oder in irgendeinem Teil der Offenbarung angeführte Nachteile lösen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Motors.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Drosselturbine, die mit einem Drosselturbinengenerator gekoppelt ist, und einer Drossel in einem Ansaugtrakt des Motors.
3A zeigt eine beispielhafte Beziehung zwischen einem Drosselwinkel und einer effektiven Querschnittsfläche einer durch die Drossel gebildeten Verengung.
3B zeigt eine beispielhafte Beziehung zwischen dem Drosselwinkel und der Turbinendrehzahl.
4 zeigt ein detailliertes Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren zur Berechnung des Drosselwinkels auf der Basis eines gewünschten Motoreinlassluftstroms und/oder zur Vorhersage eines erwarteten Luftstroms bei einem gegebenen Drosselwinkel darstellt.
5 zeigt eine beispielhafte Beziehung zwischen dem gewünschten Luftstrom und einem stromabwärtigen Druck der Drossel bei verschiedenen Drosselwinkeln und Turbinendrehzahlen für einen gegebenen stromaufwärtigen Druck der Drossel.
6 zeigt ein detailliertes Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Steuerung des Einlassluftstroms auf der Basis eines gewünschten Drehmoments, indem der Drosselwinkel eingestellt wird, und/oder zur Schätzung des Einlassluftstroms für eine Drehmomentüberwachung auf der Basis des Drosselwinkels darstellt.
7 zeigt eine beispielhafte Beziehung zwischen Drehmomentbefehl, Einlassluftstrom, Drosselwinkel und Turbinendrehzahl.
Detaillierte Beschreibung
Die folgende Beschreibung bezieht sich auf Systeme und Verfahren zur Steuerung des Luftstroms eines Motors, wie des in 1 gezeigten Motorsystems. Der Motor kann eine Drosselumgehung um eine Drossel in einem Einlasssystem des Motors umfassen, wie in 2 gezeigt. Ferner kann die Drosselumgehung eine Turbine in Kommunikation mit einem Hilfsgenerator (2) umfassen. Der Luftstrom in dem Einlasssystem kann durch Einstellen des Drosselwinkels der Drossel eingestellt werden. Als solches kann das Einstellen des Drosselwinkels ferner eine effektive Querschnittsfläche einer von der Drossel gebildeten Verengung beeinflussen, wie in 3A gezeigt. Die Luftstromsteuerung in dem Einlasssystem wird jedoch aufgrund variierender Geschwindigkeiten der Turbine und/oder des Generators anspruchsvoller, wie in 3B gezeigt. Eine Steuereinheit kann ausgelegt sein, eine Routine vorzunehmen, wie die Beispielroutine von 4, um einen Drosselwinkel auf der Basis eines gewünschten Luftstroms zu berechnen und/oder einen Luftstrom bei einem gegebenen Drosselwinkel vorherzusagen. Dabei kann der Motoreinlassluftstrom gesteuert werden, während die Effekte der Turbinendrehzahl auf den Drosselwinkel berücksichtigt werden, wie in 5 gezeigt. Die Steuereinheit kann auch ausgelegt sein, eine Routine vorzunehmen, wie die Beispielroutine von 6, um den Motoreinlassluftstrom auf der Basis eines gewünschten Drehmoments zu steuern, indem der Drosselwinkel eingestellt wird, und/oder den Motorluftstrom zum Zweck der Drehmomentüberwachung auf der Basis des Drosselwinkels zu schätzen. Eine beispielhafte Steuerung des Luftstroms und des Drosselwinkels auf der Basis eines Drehmomentbefehls und der Turbinendrehzahl ist in 7 gezeigt. Auf diese Weise kann der Luftstrom genau gesteuert werden.
1 ist eine schematische Darstellung, die einen Zylinder eines Motors 10 mit mehreren Zylinder zeigt, der in einem Antriebssystem eines Automobils enthalten sein kann. Der Motor 10 kann mindestens teilweise durch ein Steuersystem, das eine Steuereinheit 12 umfasst, und durch eine Eingabe von einem Fahrzeuglenker 132 über eine Eingabevorrichtung 130 gesteuert werden. In diesem Beispiel umfasst die Eingabevorrichtung 130 ein Gaspedal und einen Pedalpositionssensor 134 zum Generieren eines proportionalen Pedalpositionssignals PP. Eine Verbrennungskammer (d.h. Zylinder) 30 des Motors 10 kann Verbrennungskammerwände 32 mit einem darin positionierten Kolben 36 umfassen. Der Kolben 36 kann mit einer Nockenwelle 40 gekoppelt sein, so dass die hin- und hergehende Bewegung des Kolbens in eine Drehbewegung der Nockenwelle übersetzt wird. Die Nockenwelle 40 kann mit mindestens einem Antriebsrad eines Fahrzeugs über ein dazwischenliegendes Getriebesystem gekoppelt sein.
Ferner kann ein Startermotor mit der Nockenwelle 40 über ein Flugrad gekoppelt sein, um einen Startbetrieb des Motors 10 zu ermöglichen.
Die Verbrennungskammer 30 kann Einlassluft von dem Ansaugkrümmer 44 über den Ansaugtrakt 42 aufnehmen und kann Verbrennungsgase über den Abgastrakt 48 ausstoßen. Der Ansaugkrümmer 44 und der Abgastrakt 48 können selektiv mit der Verbrennungskammer 30 über ein jeweiliges Einlassventil 52 und Auslassventil 54 kommunizieren. In einigen Ausführungsformen kann die Verbrennungskammer 30 zwei oder mehr Einlassventile und/oder zwei oder mehr Auslassventile umfassen.
In diesem Beispiel können das Einlassventil 52 und das Auslassventil 54 durch eine Nockenbetätigung über jeweilige Nockenbetätigungssysteme 51 und 53 gesteuert werden. Die Nockenbetätigungssysteme 51 und 53 können jeweils einen oder mehrere Nocken umfassen und können eines oder mehrere von Nockenprofilschalt-(CPS), variablen Nockensteuerungs-(VCT), variablen Ventilsteuerungs-(VVT) und/oder variablen Ventilhub-(VVL)Systemen umfassen, die von der Steuereinheit 12 betrieben werden können, um den Ventilbetrieb zu variieren. Die Position des Einlassventils 52 und Auslassventils 54 kann von Positionssensoren 55 bzw. 57 bestimmt werden. In alternativen Ausführungsformen kann das Einlassventil 52 und/oder Auslassventil 54 von einer elektrischen Ventilbetätigung gesteuert werden. Beispielsweise kann der Zylinder 30 alternativ dazu ein Einlassventil umfassen, das über eine elektrische Ventilbetätigung gesteuert wird, und ein Auslassventil, das über eine Nockenbetätigung gesteuert wird, die CPS- und/oder VCT-Systeme umfasst.
Ein Kraftstoffinjektor 66 ist direkt gekoppelt mit der Verbrennungskammer 30 gezeigt, um direkt in diese Kraftstoff proportional zur Impulsbreite des Signals FPW einzuspritzen, das von der Steuereinheit 12 über einen elektronischen Treiber 68 empfangen wird. Auf diese Weise sieht der Kraftstoffinjektor 66 vor, was als Direkteinspritzung von Kraftstoff in die Verbrennungskammer 30 bekannt ist. Der Kraftstoffinjektor kann beispielsweise an der Seite der Verbrennungskammer oder in der Oberseite der Verbrennungskammer montiert sein. Kraftstoff kann dem Kraftstoffinjektor 66 von einem Kraftstoffzufuhrsystem (nicht gezeigt) zugeführt werden, das einen Kraftstofftank, eine Kraftstoffpumpe und ein Kraftstoffrail umfasst. In einigen Ausführungsformen kann die Verbrennungskammer 30 alternativ dazu oder zusätzlich einen Kraftstoffinjektor umfassen, der in dem Ansaugkrümmer 44 in einer Auslegung angeordnet ist, die vorsieht, was als Saugrohreinspritzung von Kraftstoff in das Einlasssaugrohr stromaufwärts von der Verbrennungskammer 30 bekannt ist.
Der Ansaugtrakt 42 kann eine Drossel 62 (auch als Einlassdrossel bekannt) mit einer Drosselplatte 64 umfassen. In diesem besonderen Beispiel kann die Position der Drosselplatte 64 von der Steuereinheit 12 über ein Signal variiert werden, das an einen in der Drossel 62 enthaltenen Elektromotor oder Betätiger geliefert wird, eine Auslegung, die üblicherweise als elektronische Drosselsteuerung (ETC) bezeichnet wird. Auf diese Weise kann die Drossel 62 betrieben werden, die Einlassluft zu variieren, die der Verbrennungskammer 30 unter anderen Motorzylindern zugeführt wird. Die Position der Drosselplatte 64 kann an die Steuereinheit 12 durch ein Drosselpositionssignal (TP) übermittelt werden. Der Ansaugtrakt 42 kann einen Luftmassen-Durchflusssensor 120 und/oder einen Absolutverteilerdruck-Sensor 122 zum Liefern jeweiliger Signale MAF und MAP an die Steuereinheit 12 umfassen. In einigen Ausführungsformen kann ein oder können mehrere Drucksensoren stromaufwärts und/oder stromabwärts von der Drossel zur Schätzung einer Druckdifferenz über der Drossel und zur Generierung eines Druckdifferenzsignals für die Steuereinheit 12 angeordnet sein.
Ferner ist ein Drosselturbinengenerator 202 mit dem Ansaugtrakt 42 in einer Umgehung um die Drossel 62 gekoppelt. Der Drosselturbinengenerator 202, der mit Bezugnahme auf 2 detaillierter beschrieben wird, umfasst eine Turbine, die einen Turbinengenerator (auch als Hilfsgenerator bekannt) antreibt. Typischerweise wird eine Druckdifferenz über der Drossel 62 erzeugt, der dann verwendet wird, um die Turbine und den Turbinengenerator anzutreiben. Wenn die Drossel beispielsweise vollständig offen ist, ist der Ansaugkrümmer typischerweise auf Umgebungsatmosphärendruck. Wenn die Drossel beispielsweise teilweise geschlossen wird, kann sich ein Verteilervakuum entwickeln, da der Einlass unter Umgebungsdruck fällt, wodurch die Druckdifferenz erzeugt wird. Der Hilfsgenerator kann eine Ladung für eine Batterie des Motors liefern, als Ergänzung zu dem Laden durch einen mechanisch angetriebenen primären Generator und/oder als Hauptladequelle, beispielsweise wenn sich der primäre Generator verschlechtert oder ausfällt. Aufgrund des Betriebs der Turbine wird jedoch die Luftstromsteuerung um den Ansaugkrümmer aufgrund der variierenden Geschwindigkeiten der Turbine und/oder des Generators anspruchsvoller. Zusätzlich beeinflusst jede Änderung der Drosselposition gleichzeitig zwei Wege in der Einlassseite des Motors, wodurch die Luftstromsteuerung über die Drossel anspruchsvoll wird, wie hier mit Bezugnahme auf 3A und 3B beschrieben.
Ein Zündungssystem 88 kann der Verbrennungskammer 30 über eine Zündkerze 92 ansprechend auf ein Vorzündsignal SA von der Steuereinheit 12 unter Auswahlbetriebsmodi einen Zündfunken zuführen. Obwohl die Funkenzündkomponenten gezeigt sind, kann oder können in einigen Beispielen die Verbrennungskammer 30 oder eine oder mehrere andere Verbrennungskammern des Motors 10 in einem Kompressionszündmodus mit oder ohne einen Zündfunken betrieben werden.
Ein Abgassensor 126 ist gekoppelt mit dem Abgastrakt 48 stromaufwärts von einer Emissionssteuervorrichtung 70 gezeigt. Der Sensor 126 kann ein beliebiger geeigneter Sensor sein, um eine Anzeige des Abgasluft-Kraftstoff-Verhältnisses zu liefern, wie ein linearer Sauerstoffsensor oder UEGO (Universal- oder Breitband-Abgassauerstoff), ein Zweizustands-Sauerstoffsensor oder EGO, ein HEGO (erhitzter EGO), ein NOx-, HC- oder CO-Sensor. Die Emissionssteuervorrichtung 70 ist entlang dem Abgastrakt 48 stromabwärts vom Abgassensor 126 angeordnet gezeigt. Die Vorrichtung 70 kann ein Dreiweg-Katalysator (TWC), eine NOx-Falle, verschiedene andere Emis-sionssteuervorrichtungen oder Kombinationen davon sein. In einigen Ausführungsformen kann während des Betriebs des Motors 10 die Emissionssteuervorrichtung 70 periodisch zurückgesetzt werden, indem mindestens ein Zylinder des Motors innerhalb eines bestimmten Luft/Kraftstoff-Verhältnisses betrieben wird.
Die Steuereinheit 12 ist in 1 als Mikrocomputer gezeigt, der eine Mikroprozessoreinheit 102, Eingangs/Ausgangs-Ports 104, ein elektronisches Speichermedium für ausführbare Programme und Kalibrierungswerte, das als Nurlesespeicher-Chip 106 in diesem bestimmten Beispiel gezeigt ist, einen Speicher 108 mit wahlfreiem Zugriff, einen Keep-Alive-Speicher 110 und einen Datenbus umfasst. Die Steuereinheit 12 kann verschiedene Signale von Sensoren empfangen, welche mit dem Motor 10 gekoppelt sind, zusätzlich zu den vorstehend diskutierten Signalen, die umfassen: Messung des induzierten Luftmassenstromes (MAF) von dem Luftmassenstrom-Sensor 120; Motorkühlmitteltemperatur (ECT) von dem Temperatursensor 112, der mit einer Kühlmanschette 114 gekoppelt ist; ein Profil-Zündaufnahmesignal (PIP) von einem Hall-Sensor 118 (oder anderen Typ), der mit der Nockenwelle 40 gekoppelt ist; eine Drosselposition (TP) von einem Drosselpositionssensor; und ein Absolutverteilerdruck-(MAP-)Signal von dem Sensor 122, etc. Ein Motordrehzahlsignal, RPM, kann von der Steuereinheit 12 aus dem Signal PIP generiert werden. Die Turbinendrehzahl der Turbine kann von der Steuereinheit 12 auf der Basis des Ausgangs des Drosselturbinengenerators abgeleitet werden. Alternativ dazu kann die Turbinendrehzahl über einen dedizierten Turbinendrehzahlsensor gemessen werden. Das Absolutverteilerdruck-Signal MAP von einem Verteilerdrucksensor kann verwendet werden, um eine Anzeige von einem Vakuum, oder Druck, in dem Ansaugkrümmer zu liefern. In einigen Ausführungsformen kann ein oder können mehrere Drucksensoren stromaufwärts und/oder stromabwärts von der Drossel zur Schätzung einer Druckdifferenz über der Drossel angeordnet sein. Es ist zu beachten, dass verschiedene Kombinationen der obigen Sensoren verwendet werden können, wie ein MAF-Sensor ohne einen MAP-Sensor, oder umgekehrt. Während eines stöchiometrischen Betriebs kann der MAP-Sensor eine Anzeige des Motordrehmoments liefern. Ferner kann dieser Sensor, zusammen mit der detektierten Motordrehzahl, eine Schätzung der Ladung (einschließlich Luft) liefern, die in den Zylinder eingebracht wird. In einem Beispiel kann der Sensor 118, der auch als Motordrehzahlsensor verwendet wird, eine vorherbestimmte Anzahl gleichmäßig beabstandeter Impulse bei jeder Umdrehung der Nockenwelle erzeugen.
Das Speichermedium als Nurlesespeicher 106 kann mit computerlesbaren Daten programmiert werden, die von dem Prozessor 102 ausführbare Instruktionen repräsentieren, um die nachstehend beschriebenen Verfahren sowie andere Varianten durchzuführen, die antizipiert, jedoch nicht spezifisch aufgelistet werden.
Wie oben beschrieben, zeigt 1 nur einen Zylinder eines Motors mit mehreren Zylindern, und jeder Zylinder kann ähnlich seinen eigenen Satz von Einlass/Auslassventilen, Kraftstoffinjektor, Zündkerze, etc., umfassen.
Bei Fortsetzen mit 2 ist ein Drosselturbinengenerator 202 in einem Motorsystem 200 gezeigt, das den oben mit Bezugnahme auf 1 beschriebenen Motor 10 umfasst. Der Drosselturbinengenerator 202 umfasst eine Turbine 206 (auch als Drosselturbine bekannt) und ein Drosselumgehungsventil 208, das in der Drosselumgehung 204 angeordnet ist, und einen Turbinengenerator 210, der von der Turbine 206 angetrieben wird. Als solche ist die Turbine 206 in der Drosselumgehung 204 um die Einlassdrossel 62 an dem Einlassrohr angeordnet und die Drosselumgehung kann ausgelegt sein, Einlassluft aus einer Position stromaufwärts von der Einlassdrossel zu einer Position stromabwärts von der Einlassdrossel zu lenken. In einigen Ausführungsformen kann der Drosselturbinengenerator kein Drosselumgehungsventil 208 umfassen. Stattdessen kann die Drossel beispielsweise eine keilförmige Schaufel aufweisen, die den Luftstrom zu der Drosselumgehung unter einigen Bedingungen blockiert.
Der Drosselturbinengenerator 202 verwendet Energie, die typischerweise durch das Drosseln von Motoreinlassluft vergeudet wird. Beispielsweise kann die Änderung des Drucks quer über die Einlassdrossel 62 verwendet werden, um den Luftstrom durch die Turbine 206 zu lenken. Die Turbine 206 treibt den Turbinengenerator 210 (hier auch als Hilfsgenerator bezeichnet) an, der Strom an die Batterie 212 liefert. In einer solchen Auslegung kann die Gesamteffizienz des Motorsystems verbessert werden, da beispielsweise das Laden der Batterie 212 über einen mechanisch angetriebenen primären Generator 214 reduziert werden kann und das Laden über den Hilfsgenerator 210 während einiger Betriebsbedingungen erhöht werden kann.
Wie dargestellt, strömt Einlassluft durch den Ansaugtrakt 42 und durch die Einlassdrossel 62. Wie oben beschrieben, kann eine Drosselposition von der Steuereinheit 12 derart variiert werden, dass eine Menge an Einlassluft, die den Zylindern des Motors geliefert wird, variiert wird. Die Drosselumgehung 204 richtet Einlassluft aus einer Position stromaufwärts von der Einlassdrossel 62 und um die Einlassdrossel 62 zu einer Position stromabwärts von der Drossel 62. Die Einlassluft kann durch die Drosselumgehung 204 beispielsweise durch eine Druckdifferenz über der Drossel gerichtet werden. Ferner umfasst in der in 2 gezeigten beispielhaften Ausführungsform der Drosselturbinengenerator 202 ein Drosselumgehungsventil 208. Eines oder mehrere von dem Drosselumgehungsventil 208 und der Einlassdrossel 62 kann oder können auf der Basis von Signalen moduliert werden, die von der Steuereinheit 12 empfangen werden, um den Strom von Einlassluft zu der Turbine 206 einzustellen, wie nachstehend mit Bezugnahme auf 3A und 3B beschrieben wird. Beispielsweise kann die Steuereinheit ein Signal an einen elektromechanischen Betätiger senden, der mit der Drossel gekoppelt ist, wobei der Betätiger bewirkt, dass ein Winkel der Drossel erhöht wird, indem die Drossel zu einer offeneren Position bewegt wird, oder bewirkt, dass der Winkel der Drossel verringert wird, indem die Drossel zu einer geschlosseneren Position bewegt wird. In einigen Beispielen kann das Drosselumgehungsventil 208 ein Ein/Aus-Ventil sein, das die Drosselumgehung 204 öffnet und schließt. In anderen Beispielen kann das Drosselumgehungsventil 208 ein Durchflussmodulationsventil sein, das eine variable Luftstrommenge durch die Drosselumgehung 204 steuert. Das Drosselumgehungsventil 208 kann ein Tauchkolben- oder Schieberventil, ein Absperrventil, ein Drosselventil oder eine andere geeignete Durchflusssteuervorrichtung sein. Ferner kann das Drosselumgehungsventil 208 durch eine Magnetspule, eine impulsbreitenmodulierte Magnetspule, einen GS-Motor, einen Schrittmotor, eine Vakuummembran oder dgl. betätigt werden.
In einigen Ausführungsformen kann, zusätzlich zu, oder anstelle von, der Einstellung des Drosselventilwinkels ein Winkel (oder Ein/Aus-Zustand) des Drosselumgehungsventils eingestellt werden. Beispielsweise kann eine Abhängigkeit zu der ersten und zweiten Funktion hinzugefügt werden, um eine vorhergesagte effektive Fläche zu berechnen, wie mit Bezugnahme auf 4 ausgeführt wird (wie die Schritte 410 und 412 von 4). Das Hinzufügen dieser Abhängigkeit zu den Karten kann jedoch eine Erhöhung der Karteneingabedimension von 2D auf 3D bewirken.
Der durch die Drosselumgehung 204 gerichtete Luftstrom strömt durch die Turbine 206, die den Hilfsgenerator 210 mit aus dem Luftstrom extrahierter Energie dreht. Der Hilfsgenerator 210 erzeugt Strom, welcher der Batterie 212 zugeführt wird. Die Batterie 212 kann Energie an verschiedene Komponenten eines elektrischen Systems des Fahrzeugs liefern, in dem das Motorsystem 200 angeordnet ist, wie Lichter, Pumpen, Gebläse, Kraftstoffeinspritzung, Zündung, Klimaanlage und dgl. Die Batterie 212 kann ferner durch den primären Generator 214 geladen werden, der mechanisch von dem Motor 10 angetrieben wird. Das Laden der Batterie 212 kann zwischen dem primären Generator 214 und dem Hilfsgenerator 210 derart koordiniert werden, dass die Gesamteffizienz des Systems erhöht wird. Beispielsweise kann der Hilfsgenerator 210 Strom an die Batterie 212 während Zuständen liefern, wenn das Liefern von Strom an die Batterie 212 durch den primären Generator 214 den Kraftstoffverbrauch erhöhen würde, wie während der Fahrt oder Beschleunigung des Fahrzeugs. Ferner kann der Hilfsgenerator 210 Strom an die Batterie 212 liefern, wenn der primäre Generator 214 verschlechtert ist oder ausfällt. Der Hilfsgenerator 210 kann ein weniger starker Generator sein, der beispielsweise weniger Strom erzeugt als der primäre Generator 214. In einigen Beispielen kann die Einlassdrossel 62 eingestellt werden, um eine Energiemenge einzustellen, die von dem Turbinengenerator erzeugt wird, der mit der Turbine gekoppelt ist, wie nachstehend erläutert. Das Einstellen der in dem Turbinengenerator erzeugten Energiemenge kann das Erhöhen einer elektrischen Leistung des Turbinengenerators 210 unter ausgewählten Betriebsbedingungen umfassen. Das Einstellen der in dem Turbinengenerator erzeugten Energiemenge kann ferner das Laden eines oder mehrerer von einer Batterie und einem primären Generator unter Verwendung der in dem Turbinengenerator erzeugten Energiemenge umfassen. In einem Beispiel kann eine Geschwindigkeit der Drosselturbine (die Turbinendrehzahl) auf der Basis eines elektrischen Ausgangs (z.B. Strom oder Spannung) des Generators abgeleitet werden. In einem anderen Beispiel kann die Turbinendrehzahl durch einen Geschwindigkeitssensor geschätzt werden, der mit der Turbine gekoppelt ist (z.B. mit der Turbinenwelle).
Die Steuereinheit 12 empfängt Signale von den verschiedenen Sensoren von 1 und 2 und verwendet die verschiedenen Betätiger von 1 und 2, um den Motorbetrieb auf der Basis der empfangenen Signale und in einem Speicher der Steuereinheit gespeicherter Instruktionen einzustellen. Beispielsweise kann das Einstellen der Einlassdrossel das Einstellen eines elektromechanischen Betätigers umfassen, der mit einer Drosselplatte in dem Einlasssystem gekoppelt ist, um das Drosselventil um den berechneten Winkel zu drehen, indem ein Steuersignal von der Steuereinheit an den Betätiger gesendet wird.
Wie vorstehend beschrieben, kann eine Druckdifferenz über der Drossel 62 verwendet werden, um den Luftstrom durch die Turbine 206 (auch als Drosselturbine bezeichnet) zu richten. Wenn diese Druckdifferenz verwendet wird, um die Drosselturbine unter Verwendung der Drossel zu betreiben, wird die Luftstromsteuerung um den Ansaugkrümmer 44 aufgrund der variierenden Geschwindigkeiten der Drosselturbine und/oder des Generators anspruchsvoll. Ferner beeinflusst jede Änderung der Drosselposition der Drossel 62 gleichzeitig zwei Wege (z.B. Drosselumgehung 204 und Ansaugtrakt 42) in der Einlassseite des Motors, wodurch die Luftstromsteuerung über die Drossel anspruchsvoll wird. Es kann jedoch möglich sein, die Genauigkeit der Luftstromsteuerung zu erhöhen, ohne die Rechnerintensität signifikant zu erhöhen, indem die Effekte der Turbinendrehzahl eingeschlossen werden, wie nachstehend erläutert.
Als solcher kann der Luftstrom durch die von der Drossel gebildete Verengung von der effektiven Querschnittsfläche der Verengung und der Druckdifferenz abhängig sein, die über der Drosselturbine auftritt. Mathematisch kann dies als Gleichung (1) angegeben werden:
wobei W der Luftstrom ist, A_E die effektive Querschnittsfläche der Verengung ist, P_us der stromaufwärtige Druck ist, P_ds der stromabwärtige Druck ist, T_us die stromaufwärtige Temperatur ist, und R die Gaskonstante ist. Hier wird die Funktion φ durch die Gleichung (2) angegeben:
wobei x bei der Durchflussbegrenzung gesättigt ist und durch die Gleichung (3) angegeben wird:
wobei γ das Verhältnis spezifischer Wärmen für das Gas ist.
In den Gleichungen (1) bis (3) können R und γ Konstanten sein oder können zeitvariierende Werte aufweisen, die von der Motorsteuereinheit geschätzt werden. Als solcher wird der Durchfluss durch den Einlassluftweg, der mit einer Turbine und/oder einem Generator ausgestattet ist, als Verengung beschrieben, wo eine effektive Fläche A_E eine Funktion der thermodynamischen Bedingungen, des Ventilwinkels und des Zustands der Turbine/des Generators ist. Mathematisch kann dies als Gleichung (4) dargestellt werden: A_E = F₁(α, ∆P)[1 – F₂(α, ∆P)ω] (4) wobei ΔP – P_us – P_ds die Druckdifferenz über der Drosselturbine ist, ω die Turbinendrehzahl ist und α der Drosselwinkel ist. Hier repräsentiert der erste Term von Gleichung (4) oder die erste Funktion, F₁, die effective Fläche A_E, wenn die Turbine im Stillstand ist oder sich sehr langsam dreht (beispielsweise ω ~ 0), und der zweite Term oder die zweite Funktion F₂ repräsentiert eine Korrektur für die effektive Fläche A_E, wenn Effekte der Turbine berücksichtigt werden (beispielsweise ω ≠ 0). Als solches kann das Produkt von ωF₁F₂ eine dritte Funktion F₃ sein, welche die Proportionalitätskonstante beschreibt, durch welche sich die effektive Fläche mit zunehmender Turbinengeschwindgikeit reduziert. Die erste und zweite Funktion sind grafisch in den Kurven 300 und 350 von 3A bzw. 3B dargestellt.
Bei Fortsetzen mit 3A zeigt die Kurve 300 beispielhafte Beziehungen zwischen einem Drosselwinkel und einer effektiven Querschnittsfläche der durch die Drossel gebildeten Verengung bei verschiedenen Druckdifferenzen ΔP über der Drosselturbine. Hier kann die effektive Querschnittsfläche A_E durch die erste Funktion F₁ repräsentiert werden, wenn keine Turbine/kein Generator in der Drosselumgehung vorhanden ist. Der Drosselwinkel ist entlang der horizontalen Achse gezeigt, und die effektive Querschnittsfläche (auch gleich wie die erste F₁ Funktion von Gleichung (4)) ist entlang der vertikalen Achse gezeigt. Die Kurve 302 zeigt die effektive Querschnittsfläche bei einer höheren Druckdifferenz ΔP, wenn die Turbinendrehzahl Null ist, und die Kurve 304 zeigt die effektive Querschnittsfläche bei einer niedrigeren Druckdifferenz, wenn die Turbinendrehzahl weiterhin Null ist. Die Kurve 302 zeigt beispielsweise die effektive Querschnittsfläche bei ΔP von 14 inHg, und die Kurve 304 zeigt beispielsweise die effektive Querschnittsfläche bei ΔP von 5 inHg. Wenn der Drosselwinkel zunimmt, steigt der Durchfluss durch die Drosselturbine (Kurven 302 und 304), wobei er ein Maximum um den Punkt erreicht, wenn der Kanal (das heißt, der Einlass in die Drosselumgehung, wie die Drosselumgehung 204 von 2) vollständig geöffnet ist. Während sich die Einlassdrossel öffnet, legt sie insbesondere allmählich den Ansaugtrakt in die Drosselturbine frei. Sobald der Kanal vollständig geöffnet ist und das Ventil weiter geöffnet wird, geht der Weg mit geringem Widerstand durch die Drossel und das meiste des Durchflusses umgeht die Turbine.
Wenn jedoch die Turbine/der Generator in der Drosselumgehung vorliegt, wird, um die effektive Querschnittsfläche der Verengung um die Drossel genau zu bestimmen, eine Korrektur angewendet, wie in Gleichung (4) beschrieben. Hier ist der zweite Term oder die zweite Funktion F₂ die Korrektur für die Turbinendrehzahl und ist in der Kurve 350 von 3B gezeigt. Die Kurve 354 zeigt eine Prozent-Korrektur für die effektive Querschnittsfläche bei einer höheren Druckdifferenz, wenn die Turbinendrehzahl Nicht-Null ist, und die Kurve 352 zeigt die effektive Querschnittsfläche bei einer niedrigeren Druckdifferenz, wenn die Turbinendrehzahl Nicht-Null ist. Die Kurve 354 zeigt beispielsweise die Korrektur bei ΔP von 14 inHg, und die Kurve 352 zeigt beispielsweise die Korrektur bei ΔP von 5 inHg. Als solche können die Kurven 300 und 350 auf der Basis der Leistungskarten/tabellen erzeugt werden, die in dem Speicher der Steuereinheit gespeichert sind.
Durch das Vergleichen der Kurven 302 und 354 und ähnlich der Kurven 304 und 352 kann der Effekt der Turbinendrehzahl auf die effektive Querschnittsfläche um die Drossel zuverlässiger bestimmt werden. Wenn keine Turbine vorliegt, nimmt hier die effektive Querschnittsfläche weiter mit dem Drosselwinkel zu (Kurve 302). Wenn jedoch die Effekte der Turbinendrehzahl eingeschlossen werden, hat die effektive Querschnittsfläche ein komplizierteres Profil (Kurve 354). In der Kurve 354 nimmt zwischen α0 und α1 die Korrektur zu, wenn sich der Drosselwinkel von α0 auf α1 erhöht. Wenn der Drosselwinkel über α1 hinaus erhöht wird, beginnt jedoch die Korrektur mit zunehmendem Drosselwinkel abzunehmen (Kurve 354). Die Effekte sind ausgeprägter, wenn die Druckdifferenz niedriger ist (Kurve 352). Hier nimmt die Korrektur zu, wenn sich der Drosselwinkel von α1 auf α2 erhöht (Kurve 352). Wenn der Drosselwinkel über α2 hinaus erhöht wird, beginnt die Korrektur, steil zu fallen (Kurve 352).
Um die Effekte der Turbinendrehzahl auf den Einlassluftstrom zu berücksichtigen, und um den Luftstrom genau zu bestimmen, können vier Variablen, nämlich Drosselwinkel, Querschnittsfläche der von der Drossel gebildeten Verengung, Druckdifferenz über dem Ansaugkrümmer und Turbinendrehzahl, adaptiv gesteuert werden müssen. Hier kann für einen gewünschten Luftstrom auf der Basis eines Drehmomentbefehls der Drosselwinkel beispielsweise durch Lösen von Gleichung (4) bestimmt werden. Dafür können vierdimensionale Leistungskarten (auch als Nachschlagtabellen bezeichnet) mit diesen Variablen rasch generiert werden und rasch zugänglich sein müssen, um den Drosselwinkel für den gewünschten Luftstrom genau zu bestimmen. Das Generieren, Speichern von und Zugreifen auf komplizierte vierdimensionale Karten kann jedoch zeit-, speicher- und rechnerintensiv sein.
Die Erfinder haben einen Ansatz identifiziert, der numerische Einstellungen (z.B. numerische Approximationen) umfasst, die relativ geradlinige zweidimensionale Leistungskarten verwenden, um Gleichung (4) zu lösen und den Luftstrom in dem Motorsystem genau zu steuern, wie in 4 beschrieben. Instruktionen zur Durchführung des Verfahrens 400 und der restlichen hier umfassten Verfahren können von einer Steuereinheit auf der Basis von in einem Speicher der Steuereinheit gespeicherten Instruktionen und in Verbindung mit Signalen ausgeführt werden, die von Sensoren des Motorsystems empfangen werden, wie den oben mit Bezugnahme auf 1 und 2 beschriebenen Sensoren. Die Steuereinheit kann gemäß den nachstehend beschriebenen Verfahren Motorbetätiger des Motorsystems einsetzen, um den Motorbetrieb einzustellen.
Das Verfahren 400 von 4 beschreibt ein Verfahren auf der Basis numerischer Approximationen, um den Drosselwinkel für einen gewünschten Luftstrom genau zu bestimmen. Zusätzlich kann das Verfahren 400 verwendet werden, um den Luftstrom bei einem spezifischen Drosselwinkel zur Drehmomentüberwachung vorherzusagen. Spezifisch leitet das Verfahren den Drosselwinkel ab und sagt einen Einlassluftstrom voraus durch Lösen von Gleichung (4), ohne auf komplizierte vierdimensionale Leistungskarten zurückzugreifen. Es ist jedoch klar, dass gewünschtenfalls zusätzlich 4D Karten verwendet werden können.
Das Verfahren 400 beginnt bei 402, wo Motorbetriebsparameter geschätzt und/oder bestimmt werden können. Betriebsparameter wie Druck (P_us und P_ds), Temperatur (T_us), Turbinendrehzahl (ω), etc., können von der Steuereinheit (wie der Steuereinheit 12 von 1) auf der Basis des Ausgangs eines oder mehrerer Sensoren gemessen oder geschätzt werden. Beispielsweise können P_us und P_ds durch einen oder mehrere Drucksensoren gemessen/geschätzt werden, die stromaufwärts und stromabwärts von der Drossel angeordnet sind. T_us kann durch Temperatursensoren gemessen oder geschätzt werden, und die Turbinendrehzahl kann beispielsweise aus dem Ausgang des Turbinengenerators oder über einen Geschwindigkeitssensor, der mit der Turbinenwelle gekoppelt ist, gemessen oder geschätzt werden. Hier beziehen sich die Drücke P_us und P_ds auf den stromaufwärtigen bzw. stromabwärtigen Druck und können ferner verwendet werden, um eine Druckdifferenz ΔP über der Motoreinlassdrossel zu schätzen. Zusätzlich zu Betriebsparametern, wie Druck, Temperatur und Turbinendrehzahl, können auch thermodynamische Parameter bestimmt werden, wie γ, der das Verhältnis spezifischer Wärmen für Luft ist, und R, der die Gaskonstante ist. Als solche sind diese thermodynamischen Parameter kalibrierte Konstanten (beispielsweise γ = 1,4 und R = 287 J/kg K). In einigen Beispielen können diese thermodynamischen Parameter ferner auf der Temperatur und Zusammensetzung der Einlassluft basieren. Noch weitere Motorbetriebsparameter, die beurteilt werden, können Motordrehzahl, Motortemperatur, Boost-Druck, EGR (beispielsweise Durchflussrate oder Prozentsatz), etc., umfassen.
Bei 404 des Verfahrens 400 können Faktoren wie
auf der Basis von Betriebsparametern und thermodynamischen Parametern berechnet werden, die in 402 gemessen/geschätzt wurden. Diese Faktoren entsprechen dem Luftstrom durch die Verengung, der durch die Gleichungen (1) und (2) angegeben wird. Dann bestimmt das Verfahren bei 405, ob eine Luftstromsteuerung oder Luftstromschätzung angefordert wird. Falls eine Luftstromsteuerung angefordert wird, kann dann bei 406 eine gewünschte effektive Fläche der von der Drossel gebildeten Verengung, A_E*, auf der Basis eines gewünschten Luftstroms W* bestimmt werden. Falls eine Luftstromschätzung angefordert wird, wird ansonsten dann bei 410 eine Luftstromvorhersage bei einem gegebenen Drosselwinkel zur Drehmomentüberwachung bestimmt.
Bei 406 ergibt sich die gewünschte effektive Fläche A_E*, die auf der Basis eines gewünschten Luftstroms W* bestimmt wird (der weiter auf einem Drehmomentbefehl basiert), aus Gleichung (1) und kann ferner als Gleichung (5) geschrieben werden:
wobei φ durch Gleichung (2) und (3) angegeben wird. Hier wird W* beispielsweise auf der Basis eines Drehmomentbefehls bestimmt. Dann geht das Verfahren zu 408, um für den gewünschten Drosselwinkel α* aufzulösen. Der gewünschte Drosselwinkel α* wird durch Lösen von Gleichung (4) bestimmt, die nachstehend als Gleichung (6) umgeschrieben wird: A*_E = F₁(α*, ∆P)[1 – F₂(α*, ∆P)ω] (6)
Die Lösung für α* kann durch Lösen der nicht-linearen Gleichung (6) bestimmt werden. Gleichung (6) kann jedoch schwierig zu lösen sein, und an sich kann das Lösen derselben auch zeitaufwendig sein. Die Erfinden haben gefunden, dass es beispielsweise durch das Einschließen numerischer Approximationen möglich sein kann, Gleichung (6) ohne Generierung komplizierter vierdimensionaler Karten oder Tabellen zu lösen.
Ein Lösungsbeispiel wird nachstehend gezeigt, das ein iteratives Verfahren unter Verwendung eines numerischen Newton-Approximationsverfahrens verwendet, um auf α* aufzulösen. Hier wird die folgende Gleichung (7):
für k = 0,1, ... usw. iteriert. Der Ausgangswert α₀ kann als aktueller Drosselwinkel herangezogen oder durch Gleichung (8) angegeben werden: α₀ = F₁ ^–1(A*_E, ∆P) (8) wobei der Kehrwert von F₁(α, ΔP) in Bezug auf α verwendet wird. Die Werte von
und bezeichnen Empfindlichkeiten oder Ableitungen der Funk tionen
in Bezug auf α. Die Funktionen
und F₁ ^–1(A*_E, ∆P) können als Leistungskarten oder Nachschlagtabellen gespeichert werden, auf die dann von der Steuereinheit zugegriffen wird, um Online-Berechnungen vorzunehmen.
Auf diese Weise kann durch das Ermitteln der Druckdifferenz, die über dem Ansaugkrümmer als Funktion des Drosselwinkels erzeugt wird, eine zweidimensionale Karte generiert und in einer Motorsteuereinheit gespeichert werden. Ferner kann eine Korrektur der effektiven Querschnittsfläche der Verengung bestimmt werden, indem beispielsweise die Effekte der Turbinendrehzahl eingeschlossen werden, die als getrennte zweidimensionale Karte gespeichert werden können. Durch die Vornahme numerischer Approximationen an den beiden zweidimensionalen Karten kann der Drosselwinkel für eine effektive Luftstromsteuerung genau bestimmt werden. In einem Beispiel wird die am wenigsten komplexe Lösung erhalten, wenn die Berechnungen einmal vorgenommen werden, z.B. k auf 0 gesetzt und der Wert von α* als α₁ herangezogen wird. Die Iteration kann nach einer beliebigen Anzahl einer gewählten Anzahl von Iterationen gestoppt werden, und/oder bis |α_k+1 – α_k| kleiner ist als eine Schwelle (beispielsweise ein vorherbestimmter Wert), und der zuletzt berechnete Wert von α_k+1wird als Lösung für den Drosselwinkel α* herangezogen.
Hier kann auf der Basis eines gewünschten Drehmoments ein Luftstrom geschätzt werden. Ferner kann auf der Basis des geschätzten Luftstroms der Drosselwinkel bestimmt werden, indem numerische Approximationen vorgenommen werden, wie beschrieben, und die Drossel kann auf den berechneten Drosselwinkel eingestellt werden. Hier umfasst das Einstellen der Einlassdrossel das Einstellen eines elektromechanischen Betätigers, der mit einer Drosselplatte in dem Einlasssystem gekoppelt ist, um das Drosselventil um den berechneten Winkel zu drehen, indem ein Steuersigtnal von der Steuereinheit an den Betätiger gesendet wird. Als solches umfasst das Einstellen des Drosselwinkels der Einlassdrossel ferner das Einstellen einer Energiemenge, die beispielsweise in einem mit der Drosselturbine gekoppelten Turbinengenerator erzeugt wird. Das Einstellen der in dem Turbinengenerator erzeugten Energiemenge kann ferner das Erhöhen einer elektrischen Leistung des Turbinengenerators unter ausgewählten Betriebsbedingungen umfassen und kann auch das Laden eines oder mehrerer von einer Batterie und einem primären Generator unter Verwendung der in dem Turbinengenerator erzeugten Energiemenge umfassen. Mit erneuter Bezugnahme auf 410 umfasst, wenn eine genaue Vorhersage eines Luftstroms bei einem gegebenen Drosselwinkel gewünscht wird, das Verfahren 400 das Berechnen der vorausgesagten effektiven Fläche
auf der Basis eines eingegebenen Drosselwinkels. Hier kann die vorausgesagte effektive Fläche mathematisch als Gleichung (9) dargestellt werden:
wobei ΔP und ω in 402 des Verfahrens 400 bestimmt werden. Als Nächstes geht das Verfahren zu 412 weiter, wo der vorhergesagte Luftstrom W ^ berechnet wird. Als solcher kann der vorhergesagte Luftstrom mathematisch als Gleichung (10) repräsentiert werden:
wobei die in 402 berechnete oder geschätzte Variable verwendet werden kann, um den Luftstrom vorherzusagen. Ähnlich den numerischen Approximationen, die vorgenommen wurden, um den Drosselwinkel α* zu bestimmen, können an Gleichung (9) numerische Approximationen vorgenommen werden, um den Luftstrom W ^ bei einem gegebenen Drosselwinkel α vorherzusagen. Als solcher kann der vorhergesagte Luftstrom zur Schätzung des Durchflusses in den Ansaugkrümmer für eine Zustandsschätzung verwendet werden, die weiter für eine Drehmomentüberwachung und für eine Modellreferenzsteuerung verwendet werden kann, welche auf die Drossel angewendet wird. Somit kann es anstelle der Berechnung von Inversen von Funktionen und der Verwendung vierdimensionaler Karten, die zeit-, speicher- und rechnerintensiv sein können, möglich sein, den Luftstrom für einen gegebenen Drosselwinkel vorherzusagen, indem numerische Approximationen rasch und effizient vorgenommen werden, ohne die Genauigkeit zu beeinträchtigen. Das Verfahren zur Luftstromsteuerung ist in 5 grafisch dargestellt. Auf diese Weise können der Drosselwinkel für einen gewünschten Durchfluss und auch der Luftstrom für einen gegebenen Drosselwinkel unter Verwendung numerischer Approximationsverfahren bestimmt werden, wodurch eine genaue Luftstromsteuerung bewirkt wird.
5 zeigt eine beispielhafte Beziehung zwischen dem gewünschten Luftstrom und dem stromabwärtigen Druck der Drossel bei verschiedenen Drosselwinkeln und Turbinendrehzahlen. Hier kann der stromaufwärtige Druck im Wesentlichen konstant gehalten werden (beispielsweise 22,4 in Hg). In der Kurve 500 ist der stromabwärtige Druck entlang der horizontalen Achse gezeigt, und der Durchfluss durch die Drossel ist entlang der vertikalen Achse gezeigt. Die Kurve 502 zeigt den Luftstrom als Funktion des stromabwärtigen Drucks, wenn die Turbine im Stillstand ist oder bei einer Turbinendrehzahl ω1 (oder beispielsweise ω1 = 0), wenn der Drosselwinkel α1 ist (beispielsweise α1 = 12°). Die Kurve 504 zeigt den Luftstrom als Funktion des stromabwärtigen Drucks, wenn die Turbinendrehzahl ω2 ist (beispielsweise ω2 = 60.000 UpM) bei demselben Drosselwinkel α1. Die Differenz zwischen den Kurven 502 und 504 kann beispielsweise die Effekte der Turbinendrehzahl auf den Durchfluss bestimmen. Die Kurve 506 zeigt den Luftstrom als Funktion des stromabwärtigen Drucks, wenn die Turbine im Stillstand ist oder bei der Turbinendrehzahl ω1 (oder beispielsweise ω1 = 0), wenn der Drosselwinkel α2 ist (beispielsweise α1 = 10°). Die Kurve 504 zeigt den Luftstrom als Funktion des stromabwärtigen Drucks, wenn die Turbinendrehzahl ω2 ist (beispielsweise ω2 = 60.000 UpM) bei dem Drosselwinkel α2. Beispielsweise ist es möglich, den Luftstrom W₁ für den Druck P₁ mit dem Drosselwinkel α2 und der Turbinendrehzahl ω2 vorherzusagen.
Die Kurve 500 zeigt auch eine gewünschte Durchflusskurve (Kurve 510), die sich auf den stromabwärtigen Druck P_ds und Durchfluss W₂ bezieht, wie gezeigt. Als solcher kann der gewünschte Luftstrom W₂ auf der Basis eines gewünschten Drehmoments berechnet werden. Bei einem gegebenen Durchfluss (Kurve 510) definiert der Schnittpunkt zwischen der gewünschten Kurve (Kurve 510) und der Kurve für die gemessene Turbinendrehzahl den gewünschten Winkel. Wenn beispielsweise die gemessene Turbinendrehzahl ω2 ist, ergibt dann der Schnittpunkt der Kurve 510 und der Kurve 508 den gewünschten Winkel als α2. Auf diese Weise können die Drosselwinkeleinstellungen für einen gewünschten Durchfluss auf der Basis eines Drehmomentbefehls berechnet werden.
Bei Fortsetzen mit 6 ist ein Verfahren 600 zum Steuern des Luftstroms in den Motor gezeigt. Spezifisch stellt das Verfahren 600 den Luftstrom in die Zylinder des Motors (z.B. Last) auf der Basis des Einstellens der Drossel ein, während die Drehgeschwindigkeit der Turbine berücksichtigt wird. Beispielsweise kann die Geschwindigkeit der Turbine den Luftstrom bis zu 10 % beeinflussen, was durch das Verfahren korrigiert werden kann, um eine genaue Luftstromsteuerung und Drehmomentabgabe zu erhalten. Zusätzlich sagt das Verfahren 600 den Luftstrom zu den Zylindern des Motors auf der Basis eines eingegebenen Drosselwinkels voraus, der dann beispielsweise zur Schätzung des Luftstroms in den Verteiler zur Drehmomentüberwachung verwendet werden kann.
Bei 602 des Verfahrens 600 werden Motorbetriebsbedingungen bestimmt. Die Betriebsbedingungen können Motordrehzahl, Motorlast, Einlassluftdurchflussrate und/oder Druck, Drosselposition, Gaspedalposition, Umgebungsdruck, Umgebungstemperatur, Turbinendrehzahl und dgl. umfassen. Die Betriebsbedingungen können ferner die Bestimmung umfassen, ob der Motor in einem stationären Zustand, im Leerlauf, in Übergangszuständen ist, etc. Zusätzlich zur Bestimmung von Betriebsbedingungen können auch thermodynamische Bedingungen bestimmt werden. Als solche umfasst die Bestimmung thermodynamischer Bedingungen die Berechnung thermodynamischer Parameter wie Verhältnis spezifischer Wärmen für das Gas, γ, Gaskonstante, R, etc.
Sobald die Betriebsbedingungen bestimmt sind, geht das Verfahren 600 zu 604 weiter, wo bestimmt werden kann, ob eine Luftstromsteuerung angefordert wird. Beispielsweise kann eine Luftstromsteuerung angefordert werden, wenn eine plötzliche Zunahme (z.B. aufgrund eines positiven Lastwechsels) oder eine plötzliche Abnahme (z.B. aufgrund eines negativen Lastwechsels) des Drehmomentbedarfs auftritt. In einigen Beispielen kann eine Luftstromsteuerung angefordert werden, wenn der Drehmomentbedarf um einen Schwellenbetrag stetig zunimmt und/oder stetig abnimmt. In noch weiteren Beispielen kann eine Luftstromsteuerung ansprechend auf eine Anforderung zur Einstellung einer Leistung des Hilfsgenerators angefordert werden.
Wenn eine Luftstromsteuerung angefordert wird, geht das Verfahren 600 zu 606 weiter, wo ein Drosselwinkel auf der Basis des gewünschten Luftstroms eingestellt werden kann, um Drehmomentanforderungen zu erfüllen. Als solcher kann der Drosselwinkel durch Lösen von Gleichung (6) bestimmt werden, indem numerische Approximationen vorgenommen werden, wie vorstehend erläutert. Das Verfahren 600 umfasst die Vornahme einer Luftstromsteuerung durch die Vornahme von Vorwärtseinstellungen an einer Einlassdrossel, die mit einer Drosselturbine gekoppelt ist, auf der Basis eines Fahrerdrehmomentbefehls in 608. Das Verfahren 600 umfasst ferner die Einstellung der Einlassdrossel auf der Basis von jeder von einer ersten Funktion einer Druckdifferenz über der Drosselturbine und einer zweiten, anderen Funktion der Druckdifferenz, multipliziert mit der Turbinendrehzahl in 610. Als solche umfasst die Einstellung der Einlassdrossel ferner die Einstellung eines Drosselwinkels der Einlassdrossel. Hier umfasst die Einstellung der Einlassdrossel die Einstellung eines elektromagnetischen Betätigers, der mit einer Drosselplatte in dem Einlasssystem gekoppelt ist, um das Drosselventil um den berechneten Winkel zu drehen, indem ein Steuersignal von der Steuereinheit an den Betätiger gesendet wird. Die Einstellung der Einlassdrossel umfasst ferner die Einstellung einer effektiven Querschnittsfläche einer von der Einlassdrossel gebildeten Verengung an einem Einlassrohr in 612. Die Einstellung des Drosselwinkels kann ferner auf einer Differenz zwischen der ersten Funktion der Druckdifferenz und einer dritten Funktion der Druckdifferenz basieren, wobei die dritte Funktion der Druckdifferenz von jeder von der ersten Funktion und der zweiten Funktion verschieden ist bei 614. Die dritte Funktion kann ein Produkt jeder von der ersten Funktion, der zweiten Funktion und der Turbinendrehzahl sein. Die effektive Querschnittsfläche kann proportional zu der dritten Funktion zunehmen, wenn die Turbinendrehzahl niedriger ist als eine Schwelle, und wobei die effektive Querschnittsfläche proportional zu der dritten Funktion abnehmen kann, wenn die Turbinendrehzahl höher ist als die Schwelle. Dann endet das Verfahren 600.
Auf diese Weise kann eine genaue Luftstromsteuerung in Anwesenheit der Turbine und des Turbinengenerators aufrechterhalten werden, wodurch es möglich wird, Kraftstoffersparnisvorteile zu erhalten, während Fahrbarkeits- und Emissionsanforderungen aufrechterhalten werden.
Falls keine Luftstromsteuerung in 604 angefordert wird, geht das Verfahren 600 zu 612 weiter, wo bestimmt wird, ob eine Luftstromschätzung angefordert wird. Wenn eine Luftstromschätzung angefordert wird, geht das Verfahren 600 dann zu 618 weiter, wo ein Einlassluftstrom quer über die Drosselturbine vorhergesagt oder eingestellt werden kann. Die Einstellung des Einlassluftstroms quer über die Drosselturbine kann auf dem Einlassdrosselwinkel basieren bei 620. Ferner kann die Einstellung des Einlassluftstroms auch auf der ersten Funktion des Einlassdrosselwinkels und einer zweiten, anderen Funktion des Einlassdrosselwinkels, multipliziert mit der Turbinendrehzahl, basieren bei 622. Hier wird die Turbinendrehzahl beispielsweise auf der Basis eines Impulsausgangs des Hilfsgenerators bestimmt. Sobald der Einlassluftstrom eingestellt oder vorausgesagt wird, geht das Verfahren 600 zu 624 weiter, wo das Drehmoment auf der Basis des vorhergesagten Luftstroms überwacht werden kann, und das Verfahren endet. Wenn jedoch keine Luftstromschätzung angefordert wird bei 616, geht das Verfahren 600 zu 626 weiter, wo ein Luftstrom nicht eingestellt werden kann, und anschließend endet das Verfahren. Auf diese Weise kann unter Verwendung von Funktionen und numerischen Approximationen eine genaue Luftstromsteuerung aufrechterhalten werden, indem sowohl der Einlassdrosselwinkel für einen gewünschten Luftstrom geschätzt wird, um Drehmomentanforderungen zu erfüllen, als auch ferner der Luftstrom bei einem gegebenen Drosselwinkel zur Drehmomentüberwachung vorhergesagt wird.
Mit nunmehriger Bezugnahme auf 7 zeigt eine Karte 700 eine beispielhafte Luftstromsteuerung während zwei Zuständen, wobei der erste Zustand die Einstellung des Drosselwinkels auf der Basis eines gewünschten Luftstroms umfasst, und der zweite Zustand die Einstellung des Luftstroms auf der Basis des Drosselwinkels umfasst. Die Kurve 702 zeigt den gewünschten Luftstrom, der ferner beispielsweise auf einem gewünschten Drehmomentbefehl basiert. Die Kurve 710 zeigt die Turbinendrehzahl, die beispielsweise aus dem Ausgang des Turbinengenerators geschätzt wird. Die Kurve 706 (gestrichelte Linie) zeigt den Drosselwinkel, der auf der Basis des gewünschten Luftstroms bestimmt wird. Hier kann, während des ersten Zustands, der Einlassdrosselwinkel (Kurve 706) einer Drossel, die mit einer Drosselturbine gekoppelt ist, auf der Basis jedes von einer ersten Funktion einer Druckdifferenz über der Drosselturbine und einem Produkt einer zweiten, anderen Funktion der Druckdifferenz und der Turbinendrehzahl (Kurve 710) eingestellt werden.
Zwischen t0 und t1 kann ein erster Zustand bestätigt werden, in dem ein erhöhter Luftstrom gewünscht sein kann (Kurve 702). Ein erhöhter Luftstrom kann beispielsweise gewünscht sein, wenn ein Drehmomentbedarf zunimmt. Somit kann auf der Basis einer Anforderung für eine Luftstromsteuerung der Drosselwinkel eingestellt werden, während ein Luftstrom quer über die Drosselturbine aufrechterhalten wird, um beispielsweise eine Erhöhung des Fahrerdrehmomentbefehls zu erfüllen. Unter Berücksichtigung der Turbinendrehzahl (710) kann der Drosselwinkel erhöht werden (Kurve 706). Ferner wird der Betrag, um den der Einlassdrosselwinkel erhöht wird, auf der Basis von Gleichung (5) und (6) bestimmt, wie vorstehend erläutert. Kurz gefasst, kann die Einstellung des Einlassdrosselwinkels einer Drossel, die mit einer Drosselturbine gekoppelt ist, auf jeder von einer ersten Funktion einer Druckdifferenz über der Drosselturbine und einem Produkt einer zweiten, anderen Funktion der Druckdifferenz und der Turbinendrehzahl basieren. Ferner umfasst während des ersten Zustands die Einstellung des Drosselwinkels eine Vorwärtseinstellung während des nominellen Motorbetriebs und umfasst ferner eine Rückleitungseinstellung während des Motorleerlaufs. Wenn die Turbinendrehzahlseffekte vernachlässigbar sind, kann beispielsweise die Einstellung des Einlassdrosselwinkels der Drossel auf der ersten Funktion basieren, wenn der Zustand der Drosselturbine eines oder mehrere von einem Stillstand oder Drehen unter einer Schwellengeschwindigkeit umfasst. Während des ersten Zustands kann eine Anforderung für eine Luftstromsteuerung erhalten werden und der Drosselwinkel kann eingestellt werden, während ein Luftstrom quer über die Drosselturbine aufrechterhalten wird und während ein Fahrerdrehmomentbefehl erteilt wird. Auf diese Weise kann eine genaue Luftstromsteuerung, um Drehmomentbefehle zu erfüllen, durch die Berücksichtigung der Effekte der Turbinendrehzahl bewirkt werden. Der technische Effekt der Einstellung des Drosselwinkels auf der Basis des gewünschten Durchflusses unter Berücksichtigung der Turbinendrehzahl ist, dass der Luftstrom zum Motor genauer gesteuert wird.
Zwischen t1 und t2 kann ein zweiter Zustand bestätigt werden, bei dem eine Anforderung für eine Luftstromschätzung erhalten werden kann. Während der Zeit zwischen t2 und t3 kann der Luftstrom (Kurve 704) quer über die Drosselturbine eingestellt werden, während der Einlassdrosselwinkel (Kurve 708) aufrechterhalten wird und während der Luftstrom in einen Verteiler geschätzt wird, wie mit Bezugnahme auf Gleichung (9) und (10) erläutert. Kurz gefasst, kann während des zweiten Zustands zwischen t2 und t3 der Einlassluftstrom (Kurve 704) quer über die Drosselturbine auf der Basis von jeder von einer ersten Funktion des Einlassdrosselwinkels (Funktion auf der Basis des Drosselwinkels, angegeben durch Kurve 708) und dem Produkt einer zweiten, anderen Funktion des Einlassdrosselwinkels und der Turbinendrehzahl (Kurve 714) eingestellt werden. Somit kann während des zweiten Zustands eine Anforderung für eine Luftstromschätzung erhalten werden und der Luftstrom quer über die Drosselturbine kann eingestellt werden, während der Einlassdrosselwinkel aufrechterhalten wird und während der Luftstrom in den Verteiler geschätzt wird.
Auf diese Weise kann unter Verwendung von Funktionen und numerischen Approximationen eine genaue Luftstromsteuerung aufrechterhalten werden, indem sowohl der Einlassdrosselwinkel für einen gewünschten Luftstrom geschätzt wird, um Drehmomentanforderungen zu erfüllen, als auch der Luftstrom bei einem gegebenen Drosselwinkel zur Drehmomentüberwachung vorhergesagt wird. Der technische Effekt der Einstellung des Drosselwinkels auf der Basis des gewünschten Durchflusses und ferner der Vorhersage des Luftstrom auf der Basis des Drosselwinkels unter Berücksichtigung der Turbinendrehzahl ist, dass der Luftstrom zum Motor genauer gesteuert wird und die Drehmomentüberwachung genauer gesteuert wird.
Die oben beschriebenen Systeme und Verfahren sehen auch ein Verfahren zur Motorluftstromsteuerung vor, wobei das Verfahren umfasst: Vorwärtseinstellen einer Einlassdrossel, die mit einer Drosselturbine gekoppelt ist, auf der Basis eines Fahrerdrehmomentbefehls; und weiteres Einstellen der Einlassdrossel auf der Basis jeder von einer ersten Funktion einer Druckdifferenz über der Drosselturbine und einer zweiten, anderen Funktion der Druckdifferenz, multipliziert mit der Turbinendrehzahl. In einem ersten Beispiel des Verfahrens kann das Einstellen der Einlassdrossel und weitere Einstellen der Einlassdrossel zusätzlich oder alternativ dazu ein Einstellen eines Drosselwinkels der Einlassdrossel umfassen. Ein zweites Beispiel des Verfahrens umfasst gegebenenfalls das erste Beispiel und umfasst ferner, wobei das Einstellen der Einlassdrossel ein Einstellen einer effektiven Querschnittsfläche einer Verengung umfasst, die von der Einlassdrossel an einem Einlassrohr gebildet wird. Ein drittes Beispiel des Verfahrens umfasst gegebenenfalls eines oder mehrere von dem ersten und zweiten Beispiel und umfasst ferner ein weiteres Einstellen des Drosselwinkels auf der Basis einer Differenz zwischen der ersten Funktion der Druckdifferenz und einer dritten Funktion der Druckdifferenz, wobei die dritte Funktion der Druckdifferenz von jeder von der ersten Funktion und der zweiten Funktion verschieden ist. Ein viertes Beispiel des Verfahrens umfasst gegebenenfalls eines oder mehrere von dem ersten bis dritten Beispiel und umfasst ferner, wobei die dritte Funktion ein Produkt jeder von der ersten Funktion, der zweiten Funktion und der Turbinendrehzahl ist. Ein fünftes Beispiel des Verfahrens umfasst gegebenenfalls eines oder mehrere von dem ersten bis vierten Beispiel und umfasst ferner, wobei die effektive Querschnittsfläche proportional zu der dritten Funktion zunimmt, wenn die Turbinendrehzahl niedriger ist als eine Schwelle, und wobei die effektive Querschnittsfläche proportional zu der dritten Funktion abnimmt, wenn die Turbinendrehzahl höher ist als die Schwelle. Ein sechstes Beispiel des Verfahrens umfasst gegebenenfalls eines oder mehrere von dem ersten bis fünften Beispiel und umfasst ferner, wobei das Einstellen des Drosselwinkels der Einlassdrossel ferner ein Einstellen einer Menge an Energie umfasst, die in einem Turbinengenerator generiert wird, der mit der Drosselturbine gekoppelt ist. Ein siebentes Beispiel des Verfahrens umfasst gegebenenfalls eines oder mehrere von dem ersten bis sechsten Beispiel und umfasst ferner, wobei die Drosselturbine in einer Drosselumgehung um die Einlassdrossel an einem Einlassrohr angeordnet ist, wobei die Drosselumgehung ausgelegt ist, Einlassluft aus einer Position stromaufwärts von der Einlassdrossel zu einer Position stromabwärts von der Einlassdrossel zu lenken. Ein achtes Beispiel des Verfahrens umfasst gegebenenfalls eines oder mehrere von dem ersten bis siebenten Beispiel und umfasst ferner, wobei das Einstellen der in dem Turbinengenerator generierten Energiemenge ein Erhöhen einer elektrischen Leistung des Turbinengenerators unter ausgewählten Betriebsbedingungen umfasst. Ein neuntes Beispiel des Verfahrens umfasst gegebenenfalls eines oder mehrere von dem ersten bis achten Beispiel und umfasst ferner ein Laden eines oder mehrerer von einer Batterie und einem primären Generator unter Verwendung der in dem Turbinengenerator generierten Energiemenge. Ein zehntes Beispiel des Verfahrens umfasst gegebenenfalls eines oder mehrere von dem ersten bis neunten Beispiel und umfasst ferner, wobei die Turbinendrehzahl auf der Basis eines Impulsausgangs des Turbinengenerators berechnet wird.
Die oben beschriebenen Systeme und Verfahren sehen auch ein Verfahren vor, wobei das Verfahren umfasst: während eines ersten Zustands, Einstellen eines Einlassdrosselwinkels einer Drossel, die mit einer Drosselturbine gekoppelt ist, auf der Basis jedes von einer ersten Funktion einer Druckdifferenz über der Drosselturbine und einem Produkt einer zweiten, anderen Funktion der Druckdifferenz und der Turbinendrehzahl; und während eines zweiten Zustands, Einstellen eines Einlassluftstroms quer über die Drosselturbine auf der Basis jedes von einer ersten Funktion des Einlassdrosselwinkels und einem Produkt einer zweiten, anderen Funktion des Einlassdrosselwinkels und der Turbinendrehzahl. In einem ersten Beispiel des Verfahrens kann das Verfahren zusätzlich oder alternativ dazu ein Einstellen des Einlassdrosselwinkels der Drossel auf der Basis der ersten Funktion umfassen, wenn der Zustand der Drosselturbine eines oder mehrere von einem Stillstand oder Drehen unter einer Schwellengeschwindigkeit umfasst. Ein zweites Beispiel des Verfahrens umfasst gegebenenfalls das erste Beispiel und umfasst ferner, wobei während des ersten Zustands eine Anforderung für eine Luftstromsteuerung erhalten wird. Ein drittes Beispiel des Verfahrens umfasst gegebenenfalls eines oder mehrere von dem ersten und dem zweiten Beispiel und umfasst ferner, wobei während des ersten Zustands der Einlassdrosselwinkel eingestellt wird, während ein Luftstrom quer über die Drosselturbine aufrechterhalten wird und während ein Fahrerdrehmomentbefehl erteilt wird. Ein viertes Beispiel des Verfahrens umfasst gegebenenfalls eines oder mehrere von dem ersten bis dritten Beispiel und umfasst ferner, wobei während des ersten Zustands das Einstellen des Einlassdrosselwinkels eine Vorwärtseinstellung während des nominellen Motorbetriebs umfasst, und ferner eine Rückleitungseinstellung während des Motorleerlaufs umfasst. Ein fünftes Beispiel des Verfahrens umfasst gegebenenfalls eines oder mehrere von dem ersten bis vierten Beispiel und umfasst ferner, wobei während des zweiten Zustands eine Anforderung für eine Luftstromschätzung empfangen wird. Ein sechstes Beispiel des Verfahrens umfasst gegebenenfalls eines oder mehrere von dem ersten bis fünften Beispiel und umfasst ferner, wobei während des zweiten Zustands der Einlassluftstrom quer über die Drosselturbine eingestellt wird, während der Einlassdrosselwinkel aufrechterhalten wird und während der Luftstrom in einen Verteiler geschätzt wird.
Die oben beschriebenen Systeme und Verfahren sehen auch ein System für einen Motor vor, umfassend: eine Drossel, die in einem Ansaugtrakt des Motors angeordnet ist; eine Drosselumgehung, die ausgelegt ist, Einlassluft aus einer Position stromaufwärts von der Drossel zu einer Position stromabwärts von der Drossel zu lenken; einen oder mehrere Drucksensoren, die stromaufwärts und/oder stromabwärts von der Drossel angeordnet sind, zum Schätzen einer Druckdifferenz über der Drossel; und eine Turbine, die in der Drosselumgehung angeordnet ist, wobei die Turbine ausgelegt ist, einen Hilfsgenerator in elektrischer Kommunikation mit einer Batterie anzutreiben, wobei die Batterie in weiterer elektrischer Kommunikation mit einem primären Generator steht. In einem ersten Beispiel des Systems kann das System zusätzlich oder alternativ dazu eine Steuereinheit mit computerlesbaren, in einem nicht-transitorischen Speicher gespeicherten Instruktionen umfassen, die ausgelegt ist: ansprechend auf eine Anforderung für die Einstellung einer Leistung des Hilfsgenerators, eine Winkelposition der Drossel auf der Basis jeder von einer ersten Funktion einer Druckdifferenz über der Turbine und einer zweiten, anderen Funktion der Druckdifferenz, multipliziert mit der Turbinendrehzahl, einzustellen. Ein zweites Beispiel des Partikelsensors umfasst gegebenenfalls das erste Beispiel und umfasst ferner, wobei die Steuereinheit ferner Instruktionen umfasst, um, ansprechend auf eine Anforderung für eine Luftstromschätzung, einen Einlassluftstrom quer über die Turbine auf der Basis jeder von der ersten Funktion der Winkelposition der Drossel und einer zweiten, anderen Funktion der Winkelpositin der Drossel, multipliziert mit der Turbinendrehzahl, einzustellen, wobei die Turbinendrehzahl auf der Basis eines Impulsausgangs des Hilfsgenerators bestimmt wird.
Es ist zu beachten, dass hier enthaltene Beispiele von Steuer- und Schätzroutinen mit verschiedenen Motor- und/oder Fahrzeugsystemauslegungen verwendet werden können. Die hier geoffenbarten Steuerverfahren und -routinen können als ausführbare Instruktionen in einem nicht-transitorischen Speicher gespeichert werden und können von dem Steuersystem durchgeführt werden, das die Steuereinheit in Kombination mit den verschiedenen Sensoren, Betätigern und anderer Motor-Hardware umfasst. Die hier beschriebenen spezifischen Routinen können eine oder mehrere von einer beliebigen Anzahl von Verarbeitungsstrategien repräsentieren, wie ereignisbedingt, unterbrechungsbedingt, Mehrprozessbetrieb, Mehrsträngigkeit und dgl. Als solche können verschiedene veranschaulichte Aktionen, Operationen und/oder Funktionen in der veranschaulichten Sequenz, parallel durchgeführt oder in einigen Fällen weggelassen werden. Ähnlich ist die Reihenfolge der Verarbeitung nicht unbedingt erforderlich, um die Merkmale und Vorteile der hier beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen zu erzielen, sondern ist der einfachen Darstellung und Beschreibung halber angeführt. Eine oder mehrere der veranschaulichten Aktionen, Operationen und/oder Funktionen kann oder können in Abhängigkeit von der verwendeten bestimmten Strategie wiederholt vorgenommen werden. Ferner können die beschriebenen Aktionen, Operationen und/oder Funktionen graphisch einen Code repräsentieren, um in einem nicht-transitorischen Speicher des computerlesbaren Speichermediums in dem Motorsteuersystem programmiert zu werden, wobei die beschriebenen Aktionen durch die Ausführung der Instruktionen in einem System durchgeführt werden, das die verschiedenen Motor-Hardware-Komponenten in Kombination mit der elektronischen Steuereinheit umfasst.
Es ist klar, dass die hier geoffenbarten Auslegungen und Routinen beispielhafter Natur sind, und dass diese spezifischen Ausführungsformen nicht in einem einschränkenden Sinn anzusehen sind, da zahlreiche Variationen möglich sind. Beispielsweise kann die obige Technologie bei V-6, 1-4, 1-6, V-12, 4-Boxermotoren und anderen Motortypen angewendet werden. Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung umfasst alle neuen und nicht-naheliegenden Kombinationen und Unterkombinationen der verschiedenen Systeme und Auslegungen und von anderen hier geoffenbarten Merkmalen, Funktionen und/oder Eigenschaften.
Die folgenden Ansprüche heben bestimmte Kombinationen und Unterkombinationen besonders hervor, die als neu und nicht-naheliegend angesehen werden. Diese Ansprüche können sich auf „ein“ Element oder „ein erstes“ Element oder Äquivalent davon beziehen. Solche Ansprüche sind so zu verstehen, dass sie den Einschluss eines oder mehrerer solcher Elemente umfassen, wobei sie zwei oder mehrere solcher Elemente weder erfordern noch ausschließen. Andere Kombinationen und Unterkombinationen der geoffenbarten Merkmale, Funktionen, Elemente und/oder Eigenschaften können durch eine Ergänzung der vorliegenden Ansprüche oder durch die Vorlage neuer Ansprüche in dieser oder einer verwandten Anmeldung beansprucht werden. Solche Ansprüche, egal ob breiter, enger, gleich oder unterschiedlich im Umfang gegenüber den ursprünglichen Ansprüchen, werden auch als innerhalb des Gegenstands der vorliegenden Offenbarung umfasst angesehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20130092125 [0003]

Claims

Verfahren zur Motorluftstromsteuerung, umfassend: Vorwärtseinstellen einer Einlassdrossel, die mit einer Drosselturbine gekoppelt ist, auf der Basis eines Fahrerdrehmomentbefehls; und weiteres Einstellen der Einlassdrossel auf der Basis jeder von einer ersten Funktion einer Druckdifferenz über der Drosselturbine und einer zweiten, anderen Funktion der Druckdifferenz, multipliziert mit der Turbinendrehzahl.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Einstellen der Einlassdrossel und weitere Einstellen der Einlassdrossel ein Einstellen eines Drosselwinkels der Einlassdrossel umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Einstellen der Einlassdrossel ein Einstellen einer effektiven Querschnittsfläche einer Verengung umfasst, die von der Einlassdrossel an einem Einlassrohr gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, ferner umfassend ein weiteres Einstellen des Drosselwinkels auf der Basis einer Differenz zwischen der ersten Funktion der Druckdifferenz und einer dritten Funktion der Druckdifferenz, wobei die dritte Funktion der Druckdifferenz von jeder von der ersten Funktion und der zweiten Funktion verschieden ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die dritte Funktion ein Produkt jeder von der ersten Funktion, der zweiten Funktion und der Turbinendrehzahl ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die effektive Querschnittsfläche proportional zu der dritten Funktion zunimmt, wenn die Turbinendrehzahl niedriger ist als eine Schwelle, und wobei die effektive Querschnittsfläche proportional zu der dritten Funktion abnimmt, wenn die Turbinendrehzahl höher ist als die Schwelle.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Einstellen des Drosselwinkels der Einlassdrossel ferner ein Einstellen einer Menge an Energie umfasst, die in einem Turbinengenerator generiert wird, der mit der Drosselturbine gekoppelt ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Drosselturbine in einer Drosselumgehung um die Einlassdrossel an einem Einlassrohr angeordnet ist, wobei die Drosselumgehung ausgelegt ist, Einlassluft aus einer Position stromaufwärts von der Einlassdrossel zu einer Position stromabwärts von der Einlassdrossel zu lenken.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Einstellen der in dem Turbinengenerator generierten Energiemenge ein Erhöhen einer elektrischen Leistungsausgabe des Turbinengenerators unter ausgewählten Betriebsbedingungen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7, ferner umfassend ein Laden eines oder mehrerer von einer Batterie und einem primären Generator unter Verwendung der in dem Turbinengenerator generierten Energiemenge.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Turbinendrehzahl auf der Basis eines Impulsausgangs des Turbinengenerators berechnet wird.
Verfahren, umfassend: während eines ersten Zustands, Einstellen eines Einlassdrosselwinkels einer Drossel, die mit einer Drosselturbine gekoppelt ist, auf der Basis jedes von einer ersten Funktion einer Druckdifferenz über der Drosselturbine und einem Produkt einer zweiten, anderen Funktion der Druckdifferenz und der Turbinendrehzahl; und während eines zweiten Zustands, Einstellen eines Einlassluftstroms über die Drosselturbine auf der Basis jedes von einer ersten Funktion des Einlassdrosselwinkels und einem Produkt einer zweiten, anderen Funktion des Einlassdrosselwinkels und der Turbinendrehzahl.
Verfahren nach Anspruch 12, ferner umfassend ein Einstellen des Einlassdrosselwinkels der Drossel auf der Basis der ersten Funktion, wenn der Zustand der Drosselturbine eines oder mehrere von einem Stillstand oder Drehen unter einer Schwellengeschwindigkeit umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei während des ersten Zustands eine Anforderung für eine Luftstromsteuerung erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei während des ersten Zustands der Einlassdrosselwinkel eingestellt wird, während ein Luftstrom über die Drosselturbine aufrechterhalten wird und während ein Fahrerdrehmomentbefehl erteilt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei während des ersten Zustands das Einstellen des Einlassdrosselwinkels eine Vorwärtseinstellung während des nominellen Motorbetriebs umfasst, und ferner eine Rückführungseinstellung während des Motorleerlaufs umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei während des zweiten Zustands eine Anforderung für eine Luftstromschätzung erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei während des zweiten Zustands der Einlassluftstrom über die Drosselturbine eingestellt wird, während der Einlassdrosselwinkel aufrechterhalten wird und während der Einlassluftstrom in einen Verteiler geschätzt wird.
System für einen Motor, umfassend: eine Drossel, die in einem Ansaugtrakt des Motors angeordnet ist; eine Drosselumgehung, die ausgelegt ist, Einlassluft aus einer Position stromaufwärts von der Drossel zu einer Position stromabwärts von der Drossel zu lenken; einen oder mehrere Drucksensoren, die stromaufwärts und/oder stromabwärts von der Drossel angeordnet sind, zum Schätzen einer Druckdifferenz über der Drossel; eine Turbine, die in der Drosselumgehung angeordnet ist, wobei die Turbine ausgelegt ist, einen Hilfsgenerator in elektrischer Kommunikation mit einer Batterie anzutreiben, wobei die Batterie in weiterer elektrischer Kommunikation mit einem primären Generator steht; und eine Steuereinheit mit computerlesbaren, in einem nicht-transitorischen Speicher gespeicherten Instruktionen, die ausgelegt ist: ansprechend auf eine Anforderung für die Einstellung einer Leistung des Hilfsgenerators, eine Winkelposition der Drossel auf der Basis jeder von einer ersten Funktion einer Druckdifferenz über der Turbine und einer zweiten, anderen Funktion der Druckdifferenz, multipliziert mit der Turbinendrehzahl, einzustellen.
System nach Anspruch 19, wobei die Steuereinheit ferner Instruktionen umfasst, um, ansprechend auf eine Anforderung für eine Luftstromschätzung, einen Einlassluftstrom quer über die Turbine auf der Basis jeder von der ersten Funktion der Winkelposition der Drossel und einer zweiten, anderen Funktion der Winkelposition der Drossel, multipliziert mit der Turbinendrehzahl, einzustellen, wobei die Turbinendrehzahl auf der Basis eines Impulsausgangs des Hilfsgenerators bestimmt wird.