DE102017124495A1

DE102017124495A1 - Multivariable motordrehmoment- und emissionsregelung für verbrennungsmotoren

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Publication number: DE102017124495A1
Application number: DE102017124495.6A
Authority: DE
Inventors: Yue-Yun Wang; Ibrahim Haskara; Chen-Fang Chang
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2016-10-21
Filing date: 2017-10-19
Publication date: 2018-04-26
Anticipated expiration: 2037-10-20
Also published as: CN107975418A; DE102017124495B4; US20180112616A1; US10208696B2; CN107975418B

Abstract

Es werden Motordrehmoment- und Emissionssteuerungssysteme (ETEC-Systeme), Verfahren zur Verwendung derartiger Systeme und Kraftfahrzeuge mit Motoren, die ETEC verwenden, offenbart. Ein ETEC-System ist zum Betrieb einer Verbrennungsmotor (ICE)-Anordnung offenbart. Das System beinhaltet einen Motorsensor zum Überwachen des Motordrehmoments, einen Abgassensor zum Überwachen der Stickoxid (NOx)-Ausgabe der ICE-Anordnung und eine Motorsteuereinheit (ECU), die kommunikativ mit dem Motorsensor, dem Abgassensor und der ICE-Anordnung verbunden ist. Die Motorsteuereinheit ist konfiguriert, um: Soll-Motordrehmomentdaten und Soll-NOx-Ausstoßdaten zu empfangen; Aus dem aktuellen Motordrehmoment und den aktuellen NOx-Ausstoß, Soll-Motordrehmoment und Soll-NOx-Ausstoß eine Soll-Motorbetriebsreferenz und eine Soll-Abgasbetriebsreferenz zu bestimmen; Aus der Soll-Motorbetriebsreferenz und der Soll-Abgasbetriebsreferenz einen Motorbetriebssteuerbefehl und einen Abgasbetriebssteuerbefehl zu bestimmen; Und die Motorbetriebs- und Abgasbetriebssteuerbefehle an die ICE-Anordnung auszugeben.

Description

EINFÜHRUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf Abgasnachbehandlungssysteme zur Regulierung von Motoremissionen. Genauer gesagt, beziehen sich Aspekte dieser Offenbarung auf prädikative Regelstrategien der NOx-Reduzierung der Abgasnachbehandlung bei Verbrennungsmotorbaugruppen.
Die derzeitigen Kraftfahrzeuge, wie das moderne Automobil, sind ursprünglich mit einem Antriebsstrang ausgestattet, der das Fahrzeug antreibt und die Bordfahrzeugelektronik versorgt. Der Antriebsstrang, der einen Antrieb einschließt und zum Teil fälschlich als solcher bezeichnet wird, besteht im Allgemeinen aus einer Antriebsmaschine, der durch eine mehrstufige Energieübertragung die Antriebskraft zum Fahrzeug-Endantriebssystem (z. B. hinteres Differential, Achsen und Räder) liefert. Automobile wurden herkömmlich mit einem Verbrennungsmotor (ICE) nach Hubkolbenbauart angetrieben, aufgrund dessen leichter Verfügbarkeit und relativ preiswerter Kosten, geringem Gewicht und dessen Gesamtwirkungsgrad. Die besagten Motoren beinhalten als nicht einschränkende Beispiele Zwei- oder Viertakt-kompressionsgezündete Dieselmotoren, Viertakt-Ottobenzinmotoren, Sechstakt-Motoren und Drehkolbenmotoren. Hybridfahrzeuge nutzen andererseits alternative Energiequellen, wie batteriebetriebene Elektromotorgeneratoren, um das Fahrzeug anzutreiben, die Abhängigkeit des Motors von der Energie zu minimieren und die gesamten Kraftstoffeinsparungen zu erhöhen.
Ein typischer Überkopfventil-Verbrennungsmotor beinhaltet einen Motorblock mit einer Reihe von Zylinderbohrungen, von denen jeder einen Kolben aufweist, der hin- und her bewegbar ist. Gekoppelt an einer Oberseite des Motorblocks ist ein Zylinderkopf, der mit der Kolben- und Zylinderbohrung zusammenwirkt, um eine Brennkammer mit variablem Volumen zu formen. Diese Hubkolben werden verwendet, um Druck - der durch Zünden eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in der Brennkammer erzeugt wird - in Drehkräfte umzuwandeln und eine Kurbelwelle anzutreiben. Der Zylinderkopf definiert Einlassöffnungen, durch die Luft, die durch einen Ansaugkrümmer vorgesehen ist, selektiv in die Brennkammer eingeführt wird. Ebenfalls in dem Zylinderkopf definiert sind Auspufföffnungen, durch die Abgase und Verbrennungs-Abfallprodukte selektiv von den Brennkammern zu einem Abgaskrümmer abgeleitet werden. Der Abgaskrümmer sammelt und kombiniert Abgase für die Rückführung in den Ansaugkrümmer, die Abgabe an einen turbinenangetriebenen Turbolader und/oder die Ableitung vom ICE über ein Abgassystem.
Abgase, die während jedes Verbrennungsarbeitszyklus einer ICE-Anordnung erzeugt werden, beinhalten normalerweise Partikel und andere bekannte Verbrennungs-Abfallprodukte, wie Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoffe (HC), flüchtige organische Verbindungen (VOCs) und Stickoxide (NOx). Abgasnachbehandlungssysteme arbeiten, um unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid und Wasser zu oxidieren und Mischungen von Stickoxiden zu Stickstoff und Wasser zu reduzieren, bevor das Gas in die Atmosphäre abgegeben wird. Die Abgasbehandlung kann einzeln und in beliebiger Kombination einen Oxidationskatalysator (OC), NOx-Absorber/Adsorber, Abgasrückführung (EGR), ein selektives katalytisches Reduktions (SCR)-System, einen Partikelmaterial (PM)-Filter, katalytische Konverter und andere Mittel der Emissionskontrolle einbeziehen. Die selektive katalytische Reduktion ist eine fortschrittliche aktive Emissionskontrolltechnologie, die ein Dosiermittel, wie wasserfreies oder wässriges Ammoniak (NH3) oder Harnstoff automotiver Qualität (auch bekannt als AdBlue oder Diesel Exhaust Fluid (DEF)), in den Abgasstrom einspritzt. Dieses Dosierungsmittel beinhaltet ein Reduktionsmittel, das mit dem NOx im Abgas reagiert und sich damit vermischt und das Gemisch kann auf einen SCR-Katalysator absorbiert werden. Der SCR-Katalysator kann dann die absorbierte Mischung, die Wasserdampf (H2O) und Stickstoffgas (N2) bildet, zersetzen.
ZUSAMMENFASSUNG
Hierin offenbart sind multivariable Motordrehmoment- und Emissionssteuerungssysteme für Verbrennungsmotor (ICE)-Anordnungen, Verfahren zur Herstellung und Verfahren zur Verwendung derartiger Steuersysteme und Kraftfahrzeuge mit einer ICE-Anordnung und einem Abgasnachbehandlungssystem mit Drehmoment- und Emissionssteuerungsfähigkeiten in geschlossenem Kreislauf. Als Beispiel, und nicht als Einschränkung, wird eine neuartige Drehmoment- und Emissionsregelungsstrategie und - architektur mit variablem Drehmoment und einem Echtzeit Drehmoment- und - Emissionsrückmeldesensor zur Lieferung von Drehmoment- und regelungsbasierter Luft- und Verbrennungssteuerung zur Minimierung von Emissionen präsentiert. In einigen Beispielen beruht die Gestaltung auf einem Motordrehmoment und Motor-Roh-NOx-Modell sowie einem Motorluftpfadmodell. Die modellprädiktive Regelungsstrategie, die beispielsweise als MPC-Algorithmus (Model Predictive Control) ausgeführt wird, der aus prozessorausführbaren Befehlen besteht, die durch eine bordeigene Motorsteuereinheit eines Kraftfahrzeugs bewirkt werden, steuert Verbrennungssysteme mit mehreren Eingängen und mehreren Ausgängen unter Verwendung von Daten von Turbolader-Wastegate (WG), Ansaugdrosselventil (ITV) Start der Einspritzung (Zündzeitpunkt) (SOI (Spk)) und Nockenwellenversteller (CP) mit eingeschränkter Kraftstoffersparnisoptimierung, sodass der Motor eine hohe Drehmomentverfolgungsleistung erreichen kann, während die Verbrennungseffizienz verbessert und die NOx-, PM- und HC-Emissionen reduziert werden. Drehmomentdaten können über einen Drehmomentsensor oder ein Modell mit geschätztem Motordrehmoment bereitgestellt werden. Nachbehandlungssystemdaten können über einen NOx-Sensor am selektiven katalytischen Reduktionseinlass (Selective Catalytic Reduction, SRC) bereitgestellt werden.
Dazugehörige Vorteile für mindestens einige der offenbarten Ausführungsformen beinhalten die Fähigkeit, die Verbrennungseffizienz zu optimieren, während gleichzeitig eine schnelle Drehmomentreaktionsverfolgung bereitgestellt und der Kraftstoffverbrauch minimiert wird. Weitere potenzielle Vorteile sind die Bereitstellung einer Echtzeit-NOx-Regelung, um eine optimale Integration von Verbrennungs- und Nachbehandlungssystemen zu erzielen, um während der NOx-Reduktion bei der Abgasnachbehandlung mehr Kraftstoff einzusparen. Offenbarte Systeme, Verfahren und Vorrichtungen helfen auch, die Kalibrierungszeit des Luftladesystems und die damit verbundenen Kosten zu reduzieren. Offenbarte Algorithmen und Architekturen können so betrieben werden, dass Drehmoment- und Emissionssteuerung in geschlossenem Kreislauf unter Verwendung eines Echtzeit-Drehmomentsensors oder gespeicherter Modelldaten sowie Echtzeit-NOx-Sensordaten angewendet werden. Offenbarte Algorithmen und Architekturen können erweitert werden, um Echtzeit-Partikel-Rückmeldesteuerung für Sensoren zu beinhalten.
Aspekte der vorliegenden Offenbarung sind auf multivariable Motordrehmoment- und Emissionsregelungssysteme für Hubkolben-Verbrennungsmotoranordnungen mit EGR- und SCR-Funktionalität gerichtet. So wird beispielsweise ein Motor-Drehmoment- und Emissionssteuerungssystem (ETEC-System) für eine ICE-Anordnung offenbart, das mit mehreren Verbrennungskammern mit variablem Volumen hergestellt ist, die fluidmäßig mit einem Abgasnachbehandlungssystem verbunden sind. Das ETEC-System beinhaltet einen Motorsensor, der ein aktuelles Motordrehmoment der ICE-Anordnung erfasst und ein oder mehrere dafür anzeigende Signale ausgibt, und einen Abgassensor, der eine aktuelle Stickstoffoxid(NOx)-Ausgabe der ICE-Anordnung erfasst und ein oder mehrere dafür Indikative Signale ausgibt. Das ETEC-System beinhaltet auch eine programmierbare Motorsteuereinheit, die kommunikativ mit dem Motorsensor, dem Abgassensor und der ICE-Anordnung verbunden ist. Diese Motorsteuereinheit ist konfiguriert, um: Indikationen eines Soll-Motordrehmoments und eines Soll-NOx-Ausstoßes zu empfangen; Aus dem aktuellen Motordrehmoment, dem aktuellen NOx-Ausstoß, einem Soll-Motordrehmoment und einem Soll-NOx-Ausstoß eine Soll-Motorbetriebsreferenz und eine Soll-Abgasbetriebsreferenz bestimmen; Aus der Soll-Motorbetriebsreferenz und der Soll-Abgasbetriebsreferenz einen Motorbetriebssteuerbefehl und einen Abgasbetriebssteuerbefehl bestimmen; Und die Motorbetriebs- und Abgasbetriebssteuerbefehle an die ICE-Anordnung auszugeben.
In dem vorangehenden Beispiel kann die Soll-Motorbetriebsreferenz beinhalten: eine Soll-Motor-Ladedruckreferenz, eine Soll- Motoransaugkrümmerdruck (MAP)-Referenz, eine variable Soll-Ventilstellglied(VVA)-Referenz und/oder eine Soll-Einspritzbeginn(SOI)-Referenz. In ähnlicher Weise kann die Soll-Abgasbetriebsreferenz eine Soll-Abgasrückführungs (EGR)-Referenz beinhalten. In gleicher Weise kann der Motorbetriebsbefehl beinhalten: einen Turbolader-Wastegate-Befehl (WG-Befehl), einen Drossel-Befehl (Thr-Befehl), einen Turbinendüsenbefehl und/oder einen variablen Ventilbetätigungsbefehl (VVA-Befehl). Der Abgasbetriebssteuerbefehl kann einen Abgasrückführungs (EGR)-Ventilbefehl und/oder einen selektiven katalytischen Reduktions (SCR)-Reduktionsmittel-Einspritzbefehl enthalten.
Andere Aspekte der vorliegenden Offenbarung sind auf Kraftfahrzeuge mit Hubkolbenmotorbaugruppen mit multivariablem Motordrehmoment- und Emissionsregelungsfähigkeiten gerichtet. Ein „Kraftfahrzeug“, wie hierin verwendet, kann sich auf jede relevante Fahrzeugplattform, wie z. B. Personenkraftwagen (mit Verbrennungsmotoren, Hybrid-, Elektro-, Brennstoffzellenantrieben, vollständig oder teilweise autonom, usw.), Transportfahrzeuge, Industriefahrzeuge, Raupenfahrzeuge, Geländefahrzeuge (ATV), landwirtschaftliche Geräte, Boote, Züge, Flugzeuge, Raumfahrzeuge usw. beziehen. In einem Beispiel wird ein Kraftfahrzeug offenbart, das eine Fahrzeugkarosserie mit einem Motorraum und eine Verbrennungsmotor (ICE)-Anordnung umfasst, die ganz oder teilweise innerhalb des Motorraums verstaut ist. Die ICE-Anordnung umfasst einen Motorblock mit einer Reihe von Zylinderbohrungen und einen Kolben, der in jeder der Zylinderbohrungen hin- und herbewegbar ist. Ein Abgasrückführungssystem (EGR-System) steht mit der ICE-Anordnung in Fluidverbindung und ist konfiguriert, Abgase von der ICE-Anordnung zurück in eine oder mehrere der Zylinderbohrungen zurückzuführen.
Fortfahrend mit dem obigen Beispiel beinhaltet das Kraftfahrzeug auch einen oder mehrere Motorsensoren, um in Echtzeit das aktuelle Motordrehmoment der ICE-Anordnung zu überwachen, sowie einen oder mehrere Abgassensoren, um in Echtzeit den aktuellen NOx-Ausstoß der ICE-Anordnung zu überwachen. Eine programmierbare Motorsteuereinheit ist kommunikativ mit der ICE-Anordnung, dem/den Abgassensor(en) und dem/den Motorsensor(en) verbunden. Diese Motorsteuereinheit ist programmiert zum: Empfangen von Signalen, die indikativ für das aktuelle Motordrehmoment, den aktuellen NOx-Ausstoß, das Soll-Motordrehmoment und den Soll-NOx-Ausstoß sind; Bestimmen einer oder mehrerer Soll-Motorbetriebsreferenzen und einer oder mehrerer Soll-Abgasbetriebsreferenzen aus dem aktuellen Motordrehmoment und aktuellem NOx-Ausstoß und dem Soll-Motordrehmoment und dem Soll-NOx-Ausstoß; Bestimmen eines oder mehrerer Motorbetriebssteuerbefehle und eines oder mehrerer Abgasbetriebssteuerbefehle aus der Soll-Motorbetriebsreferenz und Soll-Abgasbetriebsreferenz; Und regulieren des Betriebs der ICE-Anordnung und des EGR-Systems basierend auf den Motorbetriebs- und Abgasbetriebssteuerbefehlen.
Zusätzliche Aspekte dieser Offenbarung sind auf Verfahren zur Herstellung und Verfahren zur Verwendung von multivariablen Motordrehmoment- und Emissionsregelungssystemen für Kolbenverbrennungsmotorbaugruppen mit EGR- und SCR-Funktionalität gerichtet. Zum Beispiel ist ein Verfahren zum Betrieb eines Motordrehmoment- und Emissionssteuerungssystems für eine ICE-Anordnung offenbart. Verfahren beinhaltet, in beliebiger Reihenfolge und in beliebiger Kombination: Empfangen von Anzeigen eines Soll-Motordrehmoments und eines Soll-NOx-Ausstoßes; Empfangen eines aktuellen Motordrehmoments der ICE-Anordnung von einem Motorsensor, der an einer Komponente des Motors angebracht ist; Empfangen eines aktuellen NOx-Ausstoßes der ICE-Anordnung von einem an einer Komponente des Abgasnachbehandlungssystems angebrachten Abgassensor; Bestimmen eines aktuellen NOx-Ausstoßes, eines Soll-Motordrehmoments und eines Soll-NOx-Ausstoßes, einer Soll-Motorbetriebsreferenz und einer Soll-Abgasbetriebsreferenz von dem aktuellen Motordrehmoment; Bestimmen eines Motorbetriebssteuerbefehls und eines Abgasbetriebssteuerbefehls aus der Soll-Motorbetriebsreferenz und der Soll-Abgasbetriebsreferenz; und Übertragen der Motorbetriebs- und Abgasbetriebssteuerbefehle an die ICE-Anordnung.
Die vorstehende Kurzdarstellung soll nicht jede Ausführungsform oder jeden Aspekt der vorliegenden Offenbarung repräsentieren. Vielmehr veranschaulicht die vorstehende Kurzdarstellung lediglich einige der neuartigen Aspekte und Merkmale, wie hierin dargelegt. Die vorstehend aufgeführten Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der dargestellten Ausführungsformen und der repräsentativen Arten zum Ausführen der vorliegenden Offenbarung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen leicht ersichtlich. Darüber hinaus beinhaltet die vorliegende Offenbarung ausdrücklich alle Kombinationen und Teilkombinationen der vorangehenden Elemente und Merkmale, die oben und im Folgenden dargestellt sind.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Frontansicht eines repräsentativen Kraftfahrzeugs mit einer schematischen Teildarstellung einer repräsentativen funkengezündeten Hubkolben-Verbrennungsmotor (ICE)-Anordnung mit multivariablen Drehmoment- und Emissionssteuerungsfähigkeiten gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
2 ist eine schematische Darstellung einer repräsentativen multivariablen Motordrehmoment- und Emissionsregelungsarchitektur gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
3 ist ein Pareto-Diagramm, das Beispiele der standardisierten Effekte (Motordrehmomentreaktion) für die repräsentative Motordrehmoment- und Emissionsrückmeldungs-Steuerarchitektur von 2 veranschaulicht.
4 ist ein Diagramm, das ein repräsentatives Mehrzonen-Drehmomentregressionsmodell mit einem tatsächlichen Drehmoment (Nm) gegenüber einem geschätzten Drehmoment (Nm) gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
5 ist ein Flussdiagramm für ein multivariables Motordrehmoment- und Emissionsregelungsschema oder Algorithmus, das Anweisungen entsprechen kann, die von einer Bordsteuerlogikschaltung oder einer anderen computerbasierten Vorrichtung eines Kraftfahrzeugs gemäß Aspekten der offenbarten Konzepte ausgeführt werden.

Für die vorliegende Offenbarung können verschiedene Modifikationen und alternative Formen zur Anwendung kommen und einige exemplarische Ausführungsformen werden hierin anhand der Zeichnungen in Form von Detailbeispielen dargestellt. Es versteht sich allerdings, dass die neuartigen Aspekte dieser Offenbarung nicht auf die in den hinzugefügten Zeichnungen dargestellten besonderen Formen beschränkt sind. Vielmehr umfasst diese Offenbarung alle Modifikationen, Entsprechungen, Kombinationen, Teilkombinationen Permutationen, Gruppierungen und Alternativen, die dem Erfindungsgedanken und dem Umfang der Offenbarung entsprechen, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert sind.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Diese Offenbarung eignet sich für eine Vielzahl von Ausführungsformen. Diese sind in den Zeichnungen dargestellt und hierin in detaillierten exemplarischen Ausführungsformen der Offenbarung beschrieben, mit der Erkenntnis, dass die vorliegende Offenbarung als eine Veranschaulichung der Prinzipien der Offenbarung zu betrachten ist, und nicht als eine Einschränkung der breiten Aspekte der Offenbarung bezüglich der dargestellten Ausführungsformen. Entsprechend sollten Elemente und Einschränkungen, die beispielsweise in den Abschnitten der Kurzdarstellung, der Zusammenfassung und der ausführlichen Beschreibung offenbart, aber nicht explizit in den Patentansprüchen aufgeführt sind, nicht per Schlussfolgerung, Rückschluss oder anderweitig einzeln oder insgesamt in die Patentansprüche integriert werden. Zu Zwecken der vorliegenden ausführlichen Beschreibung, soweit nicht ausdrücklich dementiert: beinhaltet die Singularform die Pluralform und umgekehrt; die Wörter „und“ und „oder“ sind beide verbindend und trennend; das Wort „alle“ bedeutet „alle und jegliche“; das Wort „jegliche“ bedeutet „alle und jegliche“; und die Wörter „einschließlich“ und „umfassend“ bedeuten „einschließlich ohne Einschränkung“. Darüber hinaus können beispielsweise Wörter für Annäherungen, wie „etwa“, „fast“, „wesentlich“, „ungefähr“ und dergleichen, hierin im Sinne von „bei, nahe oder nahezu“, oder „innerhalb 3-5 % von“ oder „innerhalb akzeptabler Herstellungstoleranzen“ oder jegliche logische Kombination davon verwendet werden.
Mit Bezug auf die Zeichnungen, worin sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Merkmale in den verschiedenen Ansichten beziehen, ist 1 die perspektivische Darstellung eines repräsentativen Fahrzeugs, das im Allgemeinen mit 10 bezeichnet wird und hierin zu Zwecken der Erörterung einer Vier-Personen-Limousine-Version eines Pkws dargestellt wird. An einem vorderen Teil des Automobils 10, z. B. hinter einer vorderen Stoßfängerverkleidung und einem Gitter und vor einem Fahrgastraum ist die ICE-Anordnung 12 in einem Motorraum montiert, der von einer Motorhaube 14 bedeckt ist. Das dargestellte Automobil 10 - hier auch kurz als „Kraftfahrzeug“ oder „Fahrzeug“ bezeichnet - ist lediglich eine exemplarische Anwendung, mit der die neuartigen Aspekte und Merkmale dieser Offenbarung praktiziert werden können. In gleicher Weise sollte die Implementierung der vorliegenden Konzepte in eine funkengezündete Direkteinspritzungs (SIDI)-Motorkonfiguration ebenfalls als eine exemplarische Anwendung der hierin offenbarten neuartigen Konzepte betrachtet werden. Demgemäß versteht es sich, dass die Aspekte und Merkmale der vorliegenden Offenbarung auf andere Motorarchitekturen angewendet werden können, die für andere Abgasnachbehandlungssysteme implementiert sind und für jeden logisch relevanten Typ eines Kraftfahrzeugs verwendet werden können. Letztendlich sind die hierin abgebildeten Zeichnungen nicht unbedingt maßstabsgetreu und dienen lediglich Anleitungszwecken. Somit gelten die spezifischen und relativen Maße der Zeichnungen nicht als einschränkend.
Dort ist in 1 ein Beispiel einer mehrzylindrigen Reihen-ICE-Anordnung mit dualer obenliegender Nockenwelle (DOHC) 12 gezeigt. Die dargestellte ICE-Anordnung 12 ist eine Viertakt-Hubkolbenmotorkonfiguration, die das Fahrzeug 10 antreibt, beispielsweise als Benzinmotor mit Direkteinspritzung, einschließlich Flexible Fuel-Fahrzeuge (FFV) und Hybridfahrzeugvarianten davon. Die ICE-Anordnung 12 kann wahlweise in einem beliebigen aus einer Auswahl von auswählbaren Verbrennungsmodi, einschließlich eines Verbrennungsmodus mit homogener Selbstzündung (Homogeneous Charge Compression Ignition, HCCI) und anderer Selbstzündungs (CI)-Verbrennungsmodi, arbeiten. Zusätzlich kann die ICE-Anordnung 12 bei einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis und/oder einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis betrieben werden, das hauptsächlich stöchiometrisch mager ist. Dieser Motor 12 beinhaltet eine Reihe von Hubkolben 16, die in Zylinderbohrungen 15 eines Motorblocks 13 verschiebbar beweglich sind. Die obere Oberfläche jedes Kolbens 16 wirkt mit dem Innenumfang seines entsprechenden Zylinders 15 und einer ausgesparten Kammeroberfläche 19 eines Zylinderkopfes 25 zusammen, um eine Brennkammer 17 mit variablem Volumen zu definieren. Jeder Kolben 16 ist mit einer rotierenden Kurbelwelle 11 verbunden, durch die eine lineare Hin- und Herbewegung der Kolben 16 beispielsweise über die Kurbelwelle 11 als Drehbewegung an eine Kraftübertragung (nicht dargestellt) abgegeben wird.
Ein Luftansaugsystem überträgt durch einen Ansaugkrümmer 29, der Luft über die Ansaugkanäle des Zylinderkopfs 25 in die Brennkammern 17 lenkt und verteilt, Ansaugluft zu den Zylindern 15. Das Luftansaugsystem des Motors verfügt über Luftstromkanäle und Vorrichtungen zum Überwachen und Steuern des Luftstroms. Die Luftansaugvorrichtungen können als ein nicht einschränkendes Beispiel einen Luftmassenströmungssensor 32 zum Überwachen des Luftmassenstroms (MAF) 33 und der Einlasslufttemperatur (IAT) 35 beinhalten. Ein Drosselventil 34 steuert den Luftstrom zu der ICE-Anordnung 12 in Reaktion auf ein Steuersignal (ETC) 120 von einer programmierbaren Motorsteuereinheit (ECU) 5. Ein Drucksensor 36 in dem Ansaugkrümmer 29, überwacht beispielsweise den Krümmerabsolutdruck (MAP) 37 und den barometrischen Druck. Ein externer Strömungskanal führt Abgase vom Motorauspuff zum Ansaugkrümmer 29 beispielsweise mit einem Strömungssteuerventil zurück, das als ein Abgasrückführungsventil (EGR) 38 bezeichnet wird. Die programmierbare Motorsteuereinheit 5 steuert den Massenstrom des Abgases zum Ansaugkrümmer 29, indem sie das Öffnen des EGR-Ventils 38 über den EGR-Befehl 139 steuert. In 1 sind die Pfeile, die die Motorsteuereinheit 5 mit den verschiedenen Komponenten der ICE-Anordnung 12 verbinden, für elektronische Signale oder andere Kommunikationsvermittlungen repräsentativ, mit denen Daten und/oder Steuerbefehle von einer Komponente zur anderen übertragen werden.
Der Luftstrom von dem Ansaugkrümmer 29 in jede Verbrennungskammer 17 wird durch ein oder mehrere dedizierte Einlass-Motorventile 20 gesteuert. Das Abführen von Abgasen aus der Verbrennungskammer 17 über einen Abgaskrümmer 39 zu einem Abgasnachbehandlungssystem 55 wird durch ein oder mehrere dedizierte Abgasmotorventile 18 gesteuert. Gemäß mindestens einiger der offenbarten Ausführungsform beinhaltet das Abgasnachbehandlungssystem 55 ein Abgasrückführungssystem (EGR-System) und/oder ein System für selektive katalytische Reduktion (SCR). Die Motorventile 18, 20 sind hier als federvorgespannte Tellerventile dargestellt; Es können jedoch auch andere bekannte Arten von Motorventilen verwendet werden. Das Ventiltriebsystem der ICE-Anordnung 12 ist dazu eingerichtet, das Öffnen und Schließen der Einlass- und Auslassventile 20, 18 zu steuern und einzustellen. In einer Ausführungsform kann das Öffnen und Schließen der Einlass- und Auslassventile 20 und 18 moduliert werden, indem die entsprechenden variablen Einlass- und Auslassnockenverstellungs-/variablen Hubsteuerungsvorrichtungen (VCP/VLC) 22 und 24 gesteuert werden. Diese zwei VCP/VLC-Vorrichtungen 22 und 24 sind konfiguriert, um jeweils die Einlassnockenwelle 21 und die Auslassnockenwelle 23 zu steuern und zu betreiben. Die Drehung dieser Einlass- und Auslassnockenwellen 21 und 23 ist mit der Drehung der Kurbelwelle 11 verbunden und/oder auf diese begrenzt, wodurch Öffnungen und Schließungen der Einlass- und Auslassventile 20 und 18 mit Positionen der Kurbelwelle 11 und der Kolben 16 verbunden werden. Die Einlass-VCP/VLC-Vorrichtung 22 kann mit einem Mechanismus hergestellt werden, um den Ventilhub des Einlassventils 20 in Reaktion auf ein Steuersignal (iVLC) 125 zu schalten und zu steuern und die Phasenlage der Einlassnockenwelle 21 für jeden Zylinder 15 in Reaktion auf ein Steuersignal (iVCP) 126 variabel einzustellen und zu steuern. Die Auslass-VCP/VLC-Vorrichtung 24 beinhaltet vorzugsweise einen steuerbaren Mechanismus, um den Ventilhub des Auslassventils 18 in Reaktion auf ein Steuersignal (eVLC) 123 und die Phasenlage der Auslassnockenwelle 23 für jeden Zylinder 15 in Reaktion auf ein Steuersignal (eVCP) 124 variabel einzustellen und zu steuern. Die VCP/VLC-Vorrichtungen 22 und 24 können unter Verwendung einer elektrohydraulischen, hydraulischen, elektromechanischen oder elektrischen Steuerungskraft in Reaktion auf die jeweiligen Steuersignale eVLC 123, eVCP 124, iVLC 125 und iVCP 126 betätigt.
Mit weiterer Bezugnahme auf die repräsentative Konfiguration von 1, verwendet die ICE-Anordnung 12 ein Benzin-Direkteinspritzungs (GDI)-Kraftstoffeinspritzuntersystem mit mehreren Hochdruck-Kraftstoffeinspritzdüsen 28, die Kraftstoffpulse direkt in die Verbrennungskammern 17 einspritzen. Jeder Zylinder 15 ist mit einer oder mehreren Einspritzdüsen 28 versehen, die in Reaktion auf einen Einspritzdüsenpulsbreitebefehl (INJ_PW) 112 von der Motorsteuereinheit 5. aktiviert werden. Diese Einspritzdüsen 28 werden mit unter Druck gesetztem Kraftstoff von einem Kraftstoffverteilungssystem versorgt. Eine oder mehrere oder alle der Kraftstoffeinspritzdüsen 28 können, wenn sie aktiviert werden, betreibbar werden, um mehrere Kraftstoffpulse (z. B. eine Folge von ersten, zweiten, dritten usw. Einspritzungen von Kraftstoffmasse) pro Arbeitszyklus in einen entsprechenden Zylinder der ICE-Anordnungszylinder 15 einzuspritzen. Die ICE-Anordnung 12 verwendet ein fremdgezündetes Untersystem, durch das die durch Kraftstoffverbrennung initiierte Energie - typischerweise in Art einer plötzlichen elektrischen Entladung - über eine Zündkerze 26 zum Zünden oder zur Unterstützung beim Zünden der Zylinderfüllungen in jeder der Verbrennungskammern 17 in Reaktion auf einen Zündbefehl (IGN) 118 von der Motorsteuereinheit 5 bereitgestellt wird. Aspekte der vorliegenden Offenbarung können in ähnlicher Weise bei kompressionsgezündeten (CI) Dieselmotoren angewendet werden.
Der ICE-Anordnung 12 ist mit verschiedenen Erfassungsvorrichtungen zum Überwachen des Motorbetriebs einschließlich eines Kurbelsensors 42 mit einem Ausgang, der die Kurbelwellen-Drehposition anzeigt, z. B. Kurbelwinkel und/oder -drehzahl (RPM) 43, ausgestattet. Ein Temperatursensor 44 ist zum Überwachen beispielsweise einer oder mehrerer motorbedingter Temperaturen (z. B. Kühlmitteltemperatur, Kraftstofftemperatur, Abgastemperatur usw.) konfiguriert und gibt ein Signal 45 aus, das dafür kennzeichnend ist. Ein Verbrennungssensor 30 im Zylinder ist zum Überwachen von verbrennungsbezogenen Variablen, wie z. B. Verbrennungsdruck im Zylinder, Ladungstemperatur, Kraftstoffmasse, Luft/Kraftstoff-Verhältnis usw., konfiguriert und gibt ein Signal 31 aus, das dafür kennzeichnend ist. Ein Abgassensor 40 ist zum Überwachen von abgasbezogenen Variablen, z. B. des tatsächlichen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses (AFR), des verbrannten Gasanteils usw., konfiguriert und gibt ein Signal 41 aus, das dafür kennzeichnend ist. Der Verbrennungsdruck und die Kurbelwellendrehzahl werden durch die Motorsteuereinheit 5 überwacht, um den Verbrennungszeitpunkt zu bestimmen, d. h. die Zeitsteuerung des Verbrennungsdrucks relativ zum Kurbelwinkel der Kurbelwelle 11 für jeden Zylinder 15 für jeden Arbeitsverbrennungszyklus. Es versteht sich, dass der Verbrennungszeitpunkt durch andere Verfahren bestimmt werden kann. Der Verbrennungsdruck kann durch die Motorsteuereinheit 5 überwacht werden, um einen mittleren Arbeitsdruck (IMEP) für jeden Zylinder 15 für jeden Arbeitsverbrennungszyklus zu bestimmen. Die ICE-Anordnung 12 und Motorsteuereinheit 5 überwachen und bestimmen gemeinsam die Zustände des IMEP für jeden der Motorzylinder 15 während jedes Zylinderzündereignisses. Alternativ dazu können andere Erfassungssysteme genutzt werden, um Zustände anderer Verbrennungsparameter innerhalb des Umfangs der Offenbarung zu überwachen, z. B. Zündsysteme mit Ionenerfassung, EGR-Fraktionen und nicht-intrusive Zylinderdrucksensoren.
Steuermodul, Modul, Steuerung, Steuergerät, Steuereinheit, Prozessor und ähnliche Begriffe beziehen sich auf eine oder mehrere Kombinationen einer oder mehrerer anwendungsspezifischer integrierter Schaltungen (ASIC), zentrale Verarbeitungseinheiten (z. B. Mikroprozessoren) und dazugehörige Arbeits- und Datenspeicher (Lesespeicher, programmierbare Lesespeicher, Direktzugriffsspeicher, Festplattenlaufwerke, usw.), die ein oder mehrere Software- oder Firmware-Programme oder Routinen, kombinatorische Logikschaltung(en), Eingangs-/Ausgangsschaltung(en) und -geräte, entsprechende Signal-Konditionierungs- und Pufferschaltungen ausführen, sowie weitere Komponenten, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen. Software, Firmware, Programme, Anweisungen, Steuerroutinen, Codes, Algorithmen und ähnliche Begriffe beziehen sich auf jedwede von einer Steuerung ausführbare Befehlssätze inklusive Kalibrierungen und Lookup-Tabellen. Die Motorsteuereinheit kann mit einem Satz von Steuerroutinen konstruiert sein, die ausgeführt werden, um die gewünschten Funktionen bereitzustellen. Steuerroutinen werden, zum Beispiel durch eine zentrale Verarbeitungseinheit ausgeführt und dienen dazu, die Eingänge der Sensorgeräte und anderer vernetzter Steuermodule zu überwachen und um Steuer- und Diagnoseroutinen auszuführen, um den Betrieb von Vorrichtungen und Stellantrieben zu steuern. Routinen können in regelmäßigen Abständen, z. B. nach jeweils 100 Mikrosekunden, 3,125, 6,25, 12,5, 25 und 100 Millisekunden im laufenden Motor- und Fahrzeugbetrieb ausgeführt werden. Alternativ dazu können die Routinen in Reaktion auf ein auftretendes Ereignis ausgeführt werden.
In 2 ist eine repräsentative multivariable Motordrehmoment- und Emissionssteuerungsarchitektur (ETEC-Architektur) vorgestellt, die allgemein mit 100 bezeichnet ist, die beispielsweise betreibbar ist, um eine Regelung basierend auf einem geschlossenen Regelkreis bereitzustellen, um ein optimales Motordrehmoment und eine regelungsbasierte Luft- und Verbrennungssteuerung zur Minimierung von verbrenungserzeugten Emissionen bereitzustellen. Wie unten noch ausführlicher beschrieben ist, kann die ETEC-Architektur 100 dazu beitragen, die Verbrennungseffizienz zu optimieren und kann helfen, eine schnelle Drehmomentreaktionsverfolgung bereitzustellen, während der Kraftstoffverbrauch minimiert wird. Die ETEC-Architektur 100 kann auch dazu beitragen, eine Stickoxid (NOx)-Rückmeldungssteuerung in Echtzeit bereitzustellen, um eine optimale Integration der Verbrennungs- und Nachbehandlungssysteme zu gewährleisten, um mehr Kraftstoffeinsparung während der Abgasnachbehandlungs-NOx-Reduzierung zu erzielen. Die ESEC-Architektur 100 mit geschlossenem Regelkreis kann additive und multiplikative Motordrehmomentmodelle verwenden, als auch eine modellprädiktive Regelung (MPC) eines Verbrennungssystems mit mehreren Eingängen und mehreren Ausgängen unter Verwendung von Daten von Turbolader-Wastegate (WG), Ansaugdrosselventil (ITV) Einspritzungsbeginn (Zündzeitpunkt) (SOI (Spk)) und Nockenwellenversteller (CP) mit eingeschränkter Kraftstoffersparnisoptimierung.
In dem dargestellten Beispiel sind Teile der ETEC-Architektur 100 allgemein als interoperable Steuermodule verkörpert - ein Torque Emission Inverse(TEI)-Modul 102, ein Model Predictive Control(MPC)-Modul 104 und ein Multiple Input Multiple Output(MIMO)-Modul 106 - die jeweils eine entsprechende Softwareanwendung mit prozessorausführbaren Anweisungen umfassen können, die beispielsweise durch die in 1 dargestellte bordeigene Motorsteuereinheit (ECU) 5 des Kraftfahrzeugs 10 bewirkt wird. Für zumindest einige Anwendungen kann das MPC-Modul 104 durch ein Proportional Integral Derivat(PID)-Modul ersetzt oder ergänzt werden. In gleicher Weise ist vorgesehen, dass jedes Steuermodul eine diskrete Steuerung, einen Mikroprozessor oder eine andere integrierte Schaltung (IC) umfassen kann, die alle operativ miteinander verbunden sind, um beliebige der hierin offenbarten Funktionen und Merkmale auszuführen. Als ein geschlossenes System funktionieren die TEI-, MPC- und MIMO-Steuermodule 102, 104, 106 durch die Implementierung über die Motorsteuereinheit 5, um den Betrieb der ICE-Anordnung 12 und des Abgasnachbehandlungssystems 55 basierend auf Feedback-Sensordaten von dem ICE und dem Abgassystem (d. h. die Ausgabemengen bewirken Eingabemengen für den Steuerungsprozess) zu steuern.
Um Rückmeldedaten der Regelung bereitzustellen, kann das ETEC-System 100 mit einer Zusammenstellung von Sensoreinrichtungen im und außerhalb des Fahrzeugs kommunizieren, einschließlich derjenigen, die in 1 dargestellt und oben beschrieben sind, um relevante Informationen für den Betrieb und die Optimierung des Motors und des Abgassystems zu aggregieren. Wie in 2 gezeigt, kommuniziert die Motorsteuereinheit 5 mit einem oder mehreren Motorsensoren 108, die in Art eines magnetoelastischen, rotatorischen Transformator- oder Oberflächenakustikwellen(SAW)-Drehmomentsensors vorliegen können, die an der Kurbelwelle 11 oder einer anderen geeigneten Komponente der ICE-Anordnung 12 montiert sind. Der/die Motorsensor(en) 108 sind betreibbar, um z. B. das aktuelle Motordrehmoment (Tq) der ICE-Anordnung in Echtzeit systematisch/zufällig zu verfolgen oder anderweitig selektiv zu erfassen und ein oder mehrere dafür indikative Signale zu übertragen. Alternative Systemarchitekturen können die Daten des Motorsensors 108 eliminieren oder ergänzen, indem zum Beispiel ein gespeichertes mathematisches Modell verwendet wird, um das Motordrehmoment zu schätzen. Zur Nachbehandlungssystemsteuerung kommuniziert die Motorsteuereinheit 5 mit einem oder mehreren Abgassensoren 110, die in der Natur eines elektrochemischen oder amperometrischen Festkörper-NOx-Sensors sein können, wie beispielsweise ein Hochtemperatur-Keramikmetalloxid-NOx-Sensor mit einer Empfindlichkeit im Bereich von etwa 100-2000 Teilen pro Million (ppm), montiert an einer Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion (SCR) des Abgasnachbehandlungssystems 55. Der/die Abgassensor(en) 110 sind betreibbar, um z. B. in Echtzeit die aktuelle NOx-Motorleistung systematisch/zufällig zu verfolgen oder anderweitig selektiv zu erfassen und ein oder mehrere dafür indikative Signale zu senden.
Das modellprädiktive Steuerungsmodul (MPC-Modul) 104, das in 2 in kommunikativer Verbindung mit der ICE-Anordnung 12, dem Abgasnachbehandlungssystem 55 und den Motor- und Abgassensoren 108, 110 verbunden gezeigt ist, empfängt Bedienereingaben, Rückmeldungsdaten und vorbestimmte Systemparameter zum Ausführen einer steuerungsorientierten Modellierung des Verbrennungsmotors. Beispielhaft und nicht einschränkend empfängt das MPC-Modul 104 Signale, die ein Soll-Motordrehmoment (Tq_des) und einen Soll-NOx-Ausstoß (NOx_des) sowie Signale der Rückmeldungssteuerung (TFC) und Emissionsrückmeldungssteuerung empfange, die indikativ für das aktuelle Motordrehmoment (Tq_ms) bzw. den aktuellen NOx-Ausstoß (NOx_ms) sind. Das Soll-Motordrehmoment (Tq_des) kann in Form einer Fahrerdrehmomentanforderung auftreten, die beispielsweise, unter anderen möglichen Vorrichtungen, durch einen Gaspedalsensor und/oder einen Bremspedalsensor erhalten wird. Umgekehrt kann der Soll-NOx-Ausstoß (NOx_des) aus einer gespeicherten Nachschlagetabelle extrahiert werden, die einen vorbestimmten Parameterwert für das bereitstellt, was als „annehmbare Niveaus der NOx-Emission“ für jede einer Vielzahl von transienten Motorbetriebsbedingungen (z. Geschwindigkeiten, bei unterschiedlichen Motorbeschleunigungen usw.) angesehen wird. Dieser Soll-NOx-Ausstoß (NOx_des) kann auch basierend auf den gegenwärtigen Betriebsbedingungen eines Nachbehandlungssystems modifiziert werden.
Das Torque Emission Inverse(TEI)-Modul 102 kann als ein Aufschaltungsblock charakterisiert werden, der eine oder mehrere Nachschlagetabellen speichert oder anderweitig darauf zugreift, und basierend auf Motordrehzahl(RPM)-Eingaben und Drehmomentanforderungs (Tq_des)-Eingaben Luftladereferenzen zur Verwendung durch das MIMO-Modul 106 erzeugt (z. B. und Kraftstoffeinspritzdüsen, Nockenphasenversteller und/oder variable Ventilstellglieder), um den Betrieb der ICE-Anordnung 12 und des SCR/EGR-Systems 55 zu regeln. Gemäß dem Beispiel in 2 empfängt das TEI-Modul 102 eine Indikation der aktuellen Motordrehzahl, z. B. über einen induktiven Kurbelwellenpositionssensor, und greift auf eine gespeicherte Nachschlagetabelle zu, um eine oder mehrere Ladereferenzen aus der aktuellen Motordrehzahl (rpm) und dem Soll-Motordrehmoment (Tq_des) zu bestimmen. Nicht einschränkende Beispiele von Luftladereferenzen, die von dem TEI 102 erzeugt werden, beinhalten: eine Motorladedruckreferenz (Boost_ref), eine Motoransaugkrümmerdruckreferenz (MAP_ref), eine Abgasrückführungsreferenz (EGR_ref), und/oder eine Einspritzbeginn-Referenz (SOI_ref). In mindestens einem Spezialfall können auch alle vom TEI-Block erzeugten Referenzen auf null gesetzt werden. In zumindest einigen der offenbarten Steueralgorithmen werden diese Referenzen verwendet, um die durch das Luftladesystem und das Verbrennungssystem nachverfolgten Sollwerte festzulegen.
Das MPC-Modul 104 berechnet aus den empfangenen Bedienereingaben, Rückmeldungssteuerdaten, Luftladereferenzen und Soll-Parametern, wie aktuellem Motordrehmoment und NOx-Ausstoß, Soll-Motordrehmoment und Soll-NOx-Ausstoß, TEI-Referenzwerten usw., einen oder mehrere Soll- Motorbetriebsreferenzen und eine oder mehrere Soll-Abgasbetriebsreferenzen zur Übertragung an das MIMO-Steuermodul 106 oder direkt an die Motoranordnung 12. Gemäß dem dargestellten Beispiel kann die Soll-Motorbetriebsreferenz einzeln oder in einer Kombination eine Soll- Motor-Ladedruckreferenz (Boost des), eine Soll-Motoransaugkrümmerdruckreferenz (MAP_des), eine variable Soll-Ventilstellgliedreferenz (VVA_des) und eine Soll-Einspritzbeginnreferenz (SOI_des) umfassen. Als ein anderes Beispiel kann die gewünschte Abgasbetriebsreferenz eine Soll-EGR-Referenz (EGR_des) enthalten. Die Art und Weise, wie diese Werte bestimmt werden können, wird im Folgenden detailliert erläutert.
Das MIMO-Steuermodul 106 kommuniziert, drahtgebunden oder drahtlos, mit dem TEI-Modul 102 und dem MPC-Modul 104, um Motor- und Emissionssteuerbefehle, z. B. einen oder mehrere Motorbetriebssteuerbefehle und einen oder mehrere Abgasbetriebssteuerbefehle, aus einer geeigneten Kombination von empfangenen Eingaben, zu etablieren. Die MIMO-Steuerung 106 kann die Verbrennungs- und Nachbehandlungssysteme beispielsweise über einen Turbolader-Wastegate-Befehl (WG-Befehl(, einen Einlassluftdrosselbefehl (Thr-Befehl), einen Turbine mit variabler Geometrie Spritzdüsenbefehl (VG-Befehl), einen variablen Ventilbetätigungsbefehl (VVA-Befehl) oder einen Abgasrückführungsventilbefehl (EGR- Ventilbefehl) oder eine beliebige Kombination davon, regulieren, um z. B. tatsächlichen Ladedruck, EGR, Krümmerdruck, Einspritzbeginn und VVA-Positionen zu liefern. Da dieses System geregelt, Motordrehmoment Reaktion ist schneller und weniger aggressiv so Kraftstoff nicht Abfall.
Fortfahrend mit der in 2 gezeigten repräsentativen Architektur, stellt das ETEC-System 100 eine Drehmoment- und Emissionsrückmeldungssteuerung mit geschlossenem Regelkreis bereit, die beispielsweise modellprädiktive Steueralgorithmen oder multivariable PIDs verwendet. Die Rückmeldungssteuerung mit geschlossenem Regelkreis kann die Soll-Drehmomentleistung verfolgen und die gewünschten Soll-Emissionen verfolgen, um eine effektivere Verbrennung für eine bessere Kraftstoffwirtschaftlichkeit mit verbessertem Fahrerlebnis zu gewährleisten. Basierend auf Soll-Drehmoment und Soll-Emissionen, sowie gemessenem Drehmoment und gemessenen Emissionen, kann das MPC-Modul die Luftladungs- und Verbrennungsreferenzen weiter an die gewünschten Referenzen anpassen: p_b,des - Motorladedruckreferenz; p_i,des - Motoransaugkrümmerdruckreferenz; M_egr,des - EGR-Referenz; VVA_des - variable Ventilstellgliedreferenz; SOI_des - Einspritzbeginnreferenz. Die Steuerung des Luftladungs- und Verbrennungssystems kann dann bewirken, dass der Ladedruck, der Ansaugkrümmerdruck, EGR- und SOI und die variable Ventilstellgliedposition diese gewünschten Sollwerte anstelle von Referenzpunkten verfolgen. Diese Modifikation kann auf einer Optimierungsstrategie unter Verwendung einer Modellvorhersagesteuerung in einer Weise basiert sein, dass die Verbrennung weiter optimiert wird und Drehmoment und Emissionen die gewünschten Ziele verfolgen.
Der MPC-Steueralgorithmus kann die gewünschten Luftladungs- und Verbrennungssollwerte bestimmen, wie definiert durch finden einer optimalen Regelung, U, d. h. die gewünschten Sollwerte für Luftladung und Verbrennung, wobei $U = [p_{i, d e s} {\dot{m}}_{e g r, d e s} S O I_{d e s}, V V A_{d e s}]$
wobei p_i,des ein Soll- Ansaugkrümmerdruck, M_egr,des ein Soll-EGR-Luftmassenstrom, SOI_des ein Soll-Einspritzbeginnzeitpunkt, VVA_des eine variable Soll-Ventilstellgliedposition ist. U kann so eingestellt werden, dass der Drehmoment- und NOx-Verfolgungsfehler minimiert wird, der durch die folgende Kostenfunktion definiert ist $\begin{array}{l} J = \int R_{1} {(T_{q, d e s} - T_{q})}^{2} + R_{2} {(N O_{x, d e s} - N O_{x})}^{2} + ... \\ + S_{1} {(p_{i, r e f} - p_{i, d e s})}^{2} + S_{2} {({\dot{m}}_{e g r, r e f} - {\dot{m}}_{e g r, d e s})}^{2} + S_{3} {(S O I_{r e f} - S O I_{d e s})}^{2} + S_{4} {(V V A_{r e f} - V V A_{d e s})}^{2} \end{array}$
wobei p_i,_ref eine Ansaugkrümmerdruckreferenz, M_egr,red eine EGR-Luftmassenstromreferenz, SOI_ref eine Einspritzbeginnreferenz, VVA_ref eine variable Ventilstellgliedpositionsreferenz, NO_x, eine aktuelle NOx Messung, NO_x, _des ein Soll-NOx, R1, R2, S1, S2, S3 und S4 jeweils ein entsprechendes Gewicht für die Kostenfunktion J, T_q eine aktuelle Motordrehmomentmessung und T_q, _des ein Soll-Motordrehmoment ist. Die Kostenfunktion J kann dann den Motorsystembeschränkungen dT_q/dt und dNO_x/dt unterworfen werden, wobei $\frac{d T_{q}}{d t} = ƒ (T_{q}, p_{i}, {\dot{m}}_{a}, p_{x}, S O I, V V A, {\dot{m}}_{ƒ}, r p m)$
$\frac{d N O_{x}}{d t} = ƒ (N O_{x}, {\dot{m}}_{e g r}, {\dot{m}}_{a}, S O I, {\dot{m}}_{ƒ}, T_{i}, T_{c o o l a n t}, R H %, p_{r a i l}, V V A)$
wobei p_i ein aktueller Ansaugkrümmerdruck, p_x ein aktueller Abgasdruck, p_rail ein aktueller Raildruck (z. B. eines Common Rail Hochdruck-Einspritzsystems), ṁ_a ein aktueller Frischluftmassenstrom, ṁ_f ein aktueller Kraftstoffmassenstrom, SOI ein aktueller Einspritzbeginn, VVA eine aktuelle Ventilstellgliedposition, rpm eine aktuelle Motordrehzahl, T, eine aktuelle Motortemperatur, RH eine aktuelle relative Feuchtigkeit und T_coolant eine aktuelle Kühlmitteltemperatur ist. Zusätzliche Einschränkungen während der Optimierung können beinhalten $Kraftstoffeinsparungen b s f c : {\dot{m}}_{ƒ} < α \cdot T_{q} \cdot r p m$
$Rauchbegrenzung ϕ = \frac{{\dot{m}}_{ƒ}}{{\dot{m}}_{a}} < β$
und $‖ Δ U ‖ = ‖ U_{r e f} - U_{d e s} ‖ < U_{max}$
Die letzte Bedingung kann erfordern, dass der Steuervektor U_des nicht weit von U_ref abweicht, das von der Aufschaltungsregelung generiert wird. Für zumindest einige Ausführungsformen kann dieser Algorithmus im diskreten Zustandsraum ausgeführt werden. Durch Lösen dieses optimalen Steuerungsproblems wird der Steuervektor die Funktion sowohl des gewünschten als auch des gemessenen Motordrehmoments und des NOx werden. $U_{d e s} = [p_{i, d e s} {\dot{m}}_{e g r, d e s} S O I_{d e s}, V V A_{d e s}] = ƒ (T_{q, d e s}, N O x,_{d e s}, T_{q}, N O x)$
Alle nichtlinearen Optimierungsalgorithmen können angewendet werden, um dieses MPC-Problem zu lösen, um die optimale Steuerung U zu finden, wie zum Beispiel die Verwendung eines extremen Suchalgorithmus, der Newton Generalized Minimum Residual Methode. Das MPC-Problem kann auch gelöst werden, indem ein linearer Parameter variierender MPC-Algorithmus usw. verwendet wird.
3 ist ein Pareto-Diagramm, das Beispiele für einige standardisierte Effekte (in den Zeichnungen mit „PCSE“ bezeichnet) für die repräsentative Motordrehmoment- und Emissionsrückmeldungssteuerarchitektur von 2 veranschaulicht. Basierend auf einer experimentellen und statistischen Analyse wird festgestellt, dass die Motordrehmomenterzeugung zum Beispiel von Ansaugkrümmerdruck (pi), Luft/KraftstoffVerhältnis (AFR), Motordrehzahl (U/min), PR (Motordeltadruck px/pi, manchmal definiert als Differenz Δp = px-pi), Luftmassenstrom (MAF), Start der Einspritzung (SOI) und Motor (Ansaugkrümmer)-Temperatur (Ti) abhängt. Durch die Analyse der Empfindlichkeit des Motordrehmoments in Bezug auf verschiedene Parameter, z. B. basierend auf reichen experimentellen Daten unter Verwendung einer statistischen Analyse, mit einem Konfidenzniveau von 95 % (Alpha = 0,05), wurde bestimmt, dass ein Parameter, der unter 1,97 des Standardeffekts fällt, als „Lärm“ bezeichnet werden. Umgekehrt, je höher der Standardeffekt eines Parameters ist, desto größer ist der Einfluss auf das Motordrehmoment. Aus dieser repräsentativen Kurve wurde bestimmt, dass der Ansaugkrümmerdruck p_i am meisten zum Motordrehmoment beiträgt, dann AFR, RPM, Motordreieckdruck = Px/Pi und dann MAF (äquivalent zu EGR), SOI usw. Mithilfe der Regression kann ein lineares Parameter-variierendes Motordrehmomentmodell erstellt werden:

additive Modelle $\begin{array}{l} T_{q s} = a_{1} (t) + Q_{L H} {\dot{m}}_{ƒ} / r p m + (a_{2} (t) + a_{3} (t) \cdot r p m) p_{i} + \\ a_{4} (t) {\dot{m}}_{a} + a_{5} (t) S O I + a_{6} (t) Δ p + a_{7} (t) E M O P + a_{8} (t) I M O P \end{array}$
multiplikative Modelle $T_{q s} = (Q_{L H} {\dot{m}}_{ƒ} / r p m) (a_{1} (t) p_{i} + a_{2} (t) {\dot{m}}_{a} + a_{3} (t) T_{i m} + a_{4} (t) S O I + a_{5} (t) E M O P + a_{6} (t) I M O P) + a_{7} (t) Δ p + a_{8} (t) \cdot r p m^{2}$
$\frac{d T_{q}}{d t} = A T_{q} + B T_{q s}$
einschließlich eines NOx-LPV-Modells $N O_{x} = a_{1} (t) {\dot{m}}_{e g r} + a_{2} (t) A F R + a_{3} (t) S O I + ƒ ({\dot{m}}_{ƒ}, T_{i m}, T_{c o o l a n t}, R H %, p_{r a i l}) + y_{d}$
${\dot{x}}_{2} = F_{2 x 2} x_{2} + G u, y_{d} = H x_{2}, u = ({\dot{m}}_{e g r_d e s} - {\dot{m}}_{e g r})$
worin Q_LH den niedrigen Heizwert der Kraftstoffenergie darstellt, T_qs eine Regressionsdrehmoment ist und T_q ein dynamisches Drehmoment ist. Als nicht einschränkendes Beispiel ist die Physik, die das Motordrehmoment modelliert, die folgende: Drehmoment = (Kraftstoffenergie) * (Verbrennungswirkungsgrad) + Pumpendrehmoment + Reibungsmoment, im multiplikativen Drehmomentmodell: Kraftstoffenergie = (Q_LHṁ_f / rpm) Verbrennungs - wirkungsgrad = (ɑ₁(t)p_i + ɑ₂(t)ṁ_a + ɑ₃(t)T_im + ɑ₄(t)SOI + ɑ₅ (t)EMOP + ɑ₆ (t)IMOP) Pumpendrehmoment = _ɑ7 (t)Δ_P Reibungsmoment = ɑ₈(t) · rpm²

Worin IMOP für die maximale Öffnungsposition des Einlassventils steht und EMOP für die maximale Öffnungsposition des Auslassventils steht. Dies ist nur ein Beispiel für die Regression; es gibt verschiedene Kombinationen von Regression, die ebenfalls verwendet werden können. Der Vorteil dieses Regressionsmodells besteht darin, dass es sich um lineare Funktionen der Eingänge handelt. die „langsamen“ zeitvariierenden Koeffizienten a1(t), a2(t), ... a8(t) können basierend auf dem Drehmoment-Betriebsbereich identifiziert werden. Zum Beispiel ist in 4 der Drehmoment-Betriebsbereich in drei Bereiche unterteilt - niedrige, mittlere und hohe Drehmomentbereiche. In jedem Bereich sind diese Regressionskoeffizienten Konstanten.
4 ist ein Diagramm, das ein repräsentatives Mehrzonen-Drehmomentregressionsmodell mit dem tatsächlichen Drehmoment (AT), das gegen das geschätzte Drehmoment (ET) aufgetragen ist, sowohl in Newtonmetern (Nm) als auch in dem oben erläuterten multiplikativen Regressionsmodell zeigt. In dem dargestellten Beispiel kann Zone 1 (Z1) als „Niedrigbereich“-Drehmoment berücksichtigt werden, Zone 2 (Z2) als „Mittelbereich“-Drehmoment berücksichtigt werden, während Zone 3 (Z3) als „Hochbereich“-Drehmoment berücksichtigt werden kann. Wenn es einen Drehmomentsensor oder eine Drehmomentabschätzung mit hoher Wiedergabetreue gibt, können die Zonen entfernt werden, indem rekursive Least-Square-Algorithmen verwendet werden, um die Parameter a1 bis a8 zu identifizieren, um das LPV-Drehmomentmodell zu identifizieren. Diese Grafik zeichnet das geschätzte Drehmoment - geschätzt aus dem multiplikativen Drehmomentmodell - mit dem tatsächlich gemessenen Drehmoment auf; Wenn das Ergebnis eine diagonale Linie ist (wie gezeigt), dann ist Torque_est = Torque_actual. Die Darstellungslinie PL1 hilft, das Drehmomentmodell mit nur einer Zone zu validieren (z. B. sind alle Koeffizienten a1, a2, ... a8 konstant, egal wie groß das Drehmoment wird). Die Darstellungslinie PL2 hilft, das Drehmomentmodell zu validieren, wenn es in jeder Betriebszone Z1, Z2, Z3 aus drei Untermodellen besteht, wobei die Drehmomentkoeffizienten in jeder Zone Z1, Z2, Z3 konstant bleiben. In diesem repräsentativen Modell sind die drei Zonen Zone1 (z. B. 0 bis 50 Nm), Zone2 (z. B. 50-250 Nm) und ZONE3 (z. B. 250 Nm und darüber). Dies zeigt, dass die Modellgenauigkeit durch das Dreizonen-Drehmomentmodell verbessert wird. Zusätzlich zu diesem Regressionsdrehmomentmodell kann ein anderes Drehmomentmodell verwendet werden, bei dem in jeder Betriebszone ein Zustandsraumdrehmomentmodell basierend auf einer Eingabe identifiziert werden kann, die das angezeigte Drehmoment u und Eingaben beeinflusst, die das Pumpendrehmoment und das Reibungsdrehmoment d beeinflussen, worin $u = [\begin{matrix} (Q_{L H} {\dot{m}}_{ƒ} / r p m) p_{i} \\ (Q_{L H} {\dot{m}}_{ƒ} / r p m) {\dot{m}}_{e g r} \\ (Q_{L H} {\dot{m}}_{ƒ} / r p m) S O I \\ (Q_{L H} {\dot{m}}_{ƒ} / r p m) E M O P \\ (Q_{L H} {\dot{m}}_{ƒ} / r p m) I M O P \end{matrix}]$
$d = [\begin{matrix} Δ p \\ r p m^{2} \end{matrix}]$
In diesem Beispiel kann das transiente Drehmomentmodell beliebige System-ID-Verfahren (z. B. MATLAB-Unterraum-ID n4sid) verwenden, worin ${\dot{x}}_{i} = A_{i} x_{i} + B_{i} u + F_{i} d$
$T_{q} = C_{i} x_{i} + D_{i} u$
wobei i = 1, 2, 3 usw. ist. Transientes LPV-Drehmomentmodell kann durch Umordnen des Zustandsraummodells erreicht werden, sodass $u = [\begin{matrix} p_{i} \\ {\dot{m}}_{e g r} \\ S O I \\ E M O P \\ I M O P \end{matrix}]$
$d = [\begin{matrix} Δ p \\ r p m^{2} \end{matrix}]$
und ${\dot{x}}_{i} = A_{i} x_{i} + B {(p)}_{i} u + F_{i} d$
$T_{q} = C_{i} x_{i} + D {(p)}_{i} u$
$p = Q_{L H} {\dot{m}}_{ƒ} / r p m$
Mit Bezug auf das Flussdiagramm von 5 ist ein verbessertes Verfahren oder eine verbesserte Steuerstrategie zum Betreiben eines multivariablen Motordrehmoment- und Emissionsregelungssystems während des Betriebs eines Verbrennungsmotors, wie beispielsweise der ICE-Anordnung 12 von 1, für ein Kraftfahrzeug, wie beispielsweise das Kraftfahrzeug 10, allgemein bei 200 gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung beschrieben. 5 kann repräsentativ für einen Algorithmus sein, der zumindest einigen Anweisungen entspricht, die beispielsweise im Haupt- oder Hilfsspeicher gespeichert werden können und beispielsweise von einer Motorsteuereinheit, einer CPU, einer im Fahrzeug oder entfernt befindlichen Fahrzeugsteuerlogikschaltung oder einer anderen Vorrichtung ausgeführt werden können, um beliebige oder alle der oben und/oder unten beschriebenen Funktionen auszuführen, die den offenbarten Konzepten zugeordnet sind.
Das Verfahren 200 von 5 beginnt bei Block 201 mit dem Empfangen, z. B. über das Torque Emission Inverse(TEI)-Modul 102 von 2, eines oder mehrerer Signale, die die aktuelle Motordrehzahl (U/min) anzeigen. Der Block 201 kann ferner ein TEI-Modul 102 umfassen, das ein oder mehrere Signale empfängt, die eine Drehmomentanforderung (Tq_des) anzeigen. Bei Block 203 umfasst das Verfahren 200 das Kommunizieren oder anderweitige Ausgeben, z. B. über das TEI-Modul 102, einer oder mehrerer Luftladereferenzen, wie beispielsweise jene, die in 2 veranschaulicht und vorstehend beschrieben sind. Das Verfahren 200 von 5 fährt mit dem Block 205 mit dem Empfangen, z. B. über das Model Predictive Control-Modul (MPC-Modul) 104 von 2, eines oder mehrerer Signale fort, die das Soll- Motordrehmoment (Tq_des) und den Soll-NOx-Ausstoß (NOx_des) anzeigen. Dann beinhaltet das Verfahren 200 in Block 207 das Kommunizieren oder Ausgeben auf andere Weise, z. B. über das MPC-Modul 104, von einem oder mehreren Soll Motorbetriebswerten und Soll-Abgasbetriebswerten.
Mit weiterem Bezug auf 5 geht das Verfahren 200 weiter zu Block 209 mit der Berechnung, z. B. über das Multiple Input Multiple Output (MIMO)-Steuermodul 106 von 2, von einem oder mehreren Motorbetriebssteuerbefehlen und einem oder mehreren Abgasbetriebssteuerbefehlen. Diese können einzeln und in beliebiger Kombination den WG-Befehl, den Thr-Befehl, den VVA-Befehl, den EGR-Befehl und den VG-Befehl enthalten. In Block 211 überträgt oder gibt das Verfahren 200 diese Steuerbefehle anderweitig an die Motor- und Abgassysteme (z. B. die ICE-Anordnung 12 und die Abgasnachbehandlung 55 von 2) aus. Bei Block 213 werden TFC- und EFC-Rückmeldungssteuerdaten an die Motorsteuereinheit 5 zur nachfolgenden Modifikation der MPC- und MIMO-Steuerung übermittelt.
Aspekte dieser Offenbarung können in einigen Ausführungsformen durch ein computerausführbares Programm von Anweisungen implementiert werden, wie zum Beispiel Programmmodulen, die allgemein als Softwareanwendungen oder Anwendungsprogramme bezeichnet werden, die von einem Onboard-Computer ausgeführt werden. Die Software kann in nicht einschränkenden Beispielen Routinen, Programme, Objekte, Komponenten und Datenstrukturen enthalten, die bestimmte Aufgaben ausführen oder bestimmte abstrakte Datentypen implementieren. Die Software kann eine Schnittstelle bilden, damit ein Computer entsprechend einer Eingabequelle reagieren kann. Die Software kann auch mit anderen Codesegmenten zusammenarbeiten, um eine Vielzahl von Aufgaben in Reaktion auf Daten zu initiieren, die in Verbindung mit der Quelle der empfangenen Daten empfangen werden. Die Software kann auf einem beliebigen einer Vielzahl von Speichermedien, wie CD-ROM, Magnetplatte, Blasenspeicher und Halbleiterspeicher (z. B. verschiedene Arten von RAM oder ROM), gespeichert sein.
Darüber hinaus können Aspekte der vorliegenden Offenbarung mit einer Vielzahl von Computersystem- und Computernetzkonfigurationen einschließlich Mehrprozessorsystemen, Mikroprozessor-basierter oder programmierbarer Unterhaltungselektronik, Minicomputern, Mainframe-Computern und dergleichen durchgeführt werden. Zusätzlich können Aspekte der vorliegenden Offenbarung in Umgebungen mit verteilter Datenverarbeitung ausgeführt werden, bei denen Aufgaben durch Fernverarbeitungsvorrichtungen ausgeführt werden, die durch ein Kommunikationsnetzwerk verbunden sind. In einer verteilten Computerumgebung können Programmmodule sowohl auf lokalen als auch entfernten Computerspeichermedien einschließlich Speichergeräten angeordnet sein. Aspekte der vorliegenden Offenbarung können daher in Verbindung mit verschiedener Hardware, Software oder einer Kombination davon in einem Computersystem oder einem anderen Verarbeitungssystem implementiert werden.
Jedes der hierin beschriebenen Verfahren kann maschinenlesbare Anweisungen zur Ausführung enthalten durch: (a) einen Prozessor, (b) eine Steuerung, und/oder (c) jede andere geeignete Verarbeitungsvorrichtung. Jeder hierin offenbarte Algorithmus, jede Software oder jedes Verfahren kann in einer Software enthalten sein, die auf einem greifbaren Medium, wie beispielsweise einem Flash-Speicher, einer CD-ROM, einer Diskette, einer Festplatte, einer Digital Versatile Disk (DVD) oder andere Speichervorrichtungen, gespeichert ist, jedoch werden Fachleute leicht erkennen, dass der gesamte Algorithmus und/oder Teile davon alternativ durch eine andere Vorrichtung als eine Steuerung ausgeführt werden können und/oder in Firmware oder dedizierter Hardware in einer gut bekannten Weise implementiert werden können (z. B. kann er durch einen anwendungsspezifischen integrierter Schaltkreis (Application Specific Integrated Circuit), eine programmierbare Logikvorrichtung (PLD), eine feldprogrammierbare Logikvorrichtung (FPLD), eine diskrete Logik usw. implementiert werden). Obwohl spezielle Algorithmen unter Bezugnahme auf die hier dargestellten Flussdiagramme beschrieben werden, wird der Durchschnittsfachmann leicht erkennen, dass viele andere Verfahren zum Implementieren der exemplarischen maschinenlesbaren Anweisungen alternativ verwendet werden können. Zum Beispiel kann die Reihenfolge der Ausführung der Blöcke geändert werden und/oder einige der beschriebenen Blöcke können geändert, eliminiert oder kombiniert werden.
Obwohl einige Aspekte der vorliegenden Offenbarung im Detail unter Bezugnahme auf die dargestellten Ausführungsformen beschrieben worden sind, werden Fachleute auf dem Gebiet erkennen, dass viele Änderungen an denselben vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Die vorliegende Offenbarung ist nicht beschränkt auf die hierin offenbarte genaue Konstruktion und Zusammensetzung; jegliche und alle Modifikationen, Änderungen und Variationen, ersichtlich aus den vorangehenden Beschreibungen, liegen innerhalb des Umfangs der Offenbarung, wie in den hinzugefügten Ansprüchen festgelegt. Darüber hinaus beinhalten die vorliegenden Konzepte ausdrücklich alle Kombinationen und Teilkombinationen der vorangehenden Elemente und Merkmale.

Claims

Motordrehmoment- und Emissionssteuerungssystem für eine Verbrennungsmotoranordnung (ICE-Anordnung), worin die ICE-Anordnung eine oder mehrere Verbrennungskammern beinhaltet, die mit einem Abgasnachbehandlungssystem in Fluidverbindung stehen, das Motordrehmoment- und Emissionssteuerungssystem umfassend: einen Motorsensor der konfiguriert ist, um ein aktuelles Motordrehmoment der ICE-Anordnung zu erfassen und ein dafür indikatives Signal auszugeben; einen Abgassensor, der konfiguriert ist, um einen aktuellen Stickoxid (NOx)-Ausstoß der ICE-Anordnung zu erfassen und ein dafür indikatives Signal auszugeben; und eine programmierbare Motorsteuereinheit, die kommunikativ mit dem Motorsensor, dem Abgassensor und der ICE-Anordnung verbunden ist, worin die Motorsteuereinheit konfiguriert ist zum: Empfangen von Indikationen eines Soll-Motordrehmoments und eines Soll-NOx-Ausstoßes; Bestimmen einer Soll-Motorbetriebsreferenz und einer Soll-Abgasbetriebsfrequenz aus dem aktuellen Motordrehmoment, dem aktuellen NOx-Ausstoß, einem Soll-Motordrehmoment und einem Soll-NOx-Ausstoß; Bestimmen eines Motorbetriebssteuerbefehls und eines Abgasbetriebssteuerbefehls aus der Soll-Motorbetriebsreferenz und der Soll-Abgasbetriebsreferenz; und Ausgeben der Motorbetriebs- und Abgasbetriebssteuerbefehle an die ICE-Anordnung.
Motordrehmoment- und Emissionssteuerungssystem nach Anspruch 1, worin die Motorsteuereinheit ferner konfiguriert ist zum: Empfangen einer Anzeige der aktuellen Motordrehzahl; und Bestimmen einer Luftladereferenz aus der aktuellen Motordrehzahl und dem Soll-Motordrehmoment, worin das Bestimmen des Motorbetriebssteuerbefehls oder des Abgasbetriebssteuerbefehls oder beider ferner auf der Luftladereferenz basiert.
Motordrehmoment- und Emissionssteuerungssystem nach Anspruch 2, worin die Luftladereferenz eine Motorladedruckreferenz, eine Motoransaugkrümmerdruckreferenz (MAP-Referenz), eine Abgasrückführungsreferenz (EGR-Referenz), eine variable Ventilstellgliedreferenz (VVA-Referenz) oder eine Einspritzbeginnreferenz (SOI-Referenz) oder eine Kombination davon beinhaltet.
Motordrehmoment- und Emissionssteuerungssystem nach Anspruch 1, worin die Soll-Motorbetriebsreferenz eine Soll-Motor-Ladedruckreferenz, einer Soll-Motoransaugkrümmerdruck (MAP)-Referenz, variable Soll-Ventilstellgliedreferenz (VVA-Referenz) oder eine Soll-Einspritzbeginnreferenz (SOI-Referenz) oder eine beliebige Kombination davon beinhaltet.
Motordrehmoment- und Emissionssteuerungssystem nach Anspruch 1, worin die Soll-Abgasbetriebsreferenz eine Soll-Abgasrückführungsreferenz (EGR-Referenz) beinhaltet.
Motordrehmoment- und Emissionssteuerungssystem nach Anspruch 1, worin die Motorsteuereinheit ein modellprädiktives Steuerungsmodul (MPC-Modul) beinhaltet, das kommunikativ mit dem Motor und den Abgassensoren verbunden und konfiguriert ist, um die Soll-Motorbetriebsreferenz und die Soll-Abgasbetriebsreferenz zu bestimmen und indikative Signale davon auszugeben.
Motordrehmoment- und Emissionssteuerungssystem nach Anspruch 6, worin die Motorsteuereinheit ferner ein Multiple Input Multiple Output-Steuermodul (MIMO-Steuermodul) beinhaltet, das kommunikativ mit dem MPC-Modul verbunden und konfiguriert ist, um die Motorbetriebs- und Abgasbetriebssteuerbefehle zu bestimmen.
Motordrehmoment- und Emissionssteuerungssystem nach Anspruch 7, worin die Motorsteuereinheit ferner ein Torque Emission Inverse-Modul (TEI -Modul) beinhaltet, das eine Nachschlagetabelle speichert und konfiguriert ist, um eine Luftladereferenz aus der Nachschlagetabelle basierend auf einer aktuellen Motordrehzahl und dem Soll-Motordrehmoment zu bestimmen.
Motordrehmoment- und Emissionssteuerungssystem nach Anspruch 1, worin die Motorsteuereinheit ferner konfiguriert ist, um einen optimalen Steuerparameter U zu bestimmen, um den durch eine Kostenfunktion J definierten Drehmoment- und NOx-Verfolgungsfehler zu minimieren, wobei: $U = [p_{i, d e s} {\dot{m}}_{e g r, d e s} S O I_{d e s}, V V A_{d e s}]$
$\begin{array}{l} J = min_{U} \int R_{1} {(T_{q, d e s} - T_{q})}^{2} + R_{2} {(N O_{x, d e s} - N O_{x})}^{2} + ... \\ + S_{1} {(p_{i, r e f} - p_{i, d e s})}^{2} + S_{2} {({\dot{m}}_{e g r, r e f} - {\dot{m}}_{e g r, d e s})}^{2} + S_{3} {(S O I_{r e f} - S O I_{d e s})}^{2} + S_{4} {(V V A_{r e f} - V V A_{d e s})}^{2} \end{array}$
und wobei p_i,des eine Soll-Ansaugkrümmerdruck, m_egr, _des eine Soll-EGR-Luftmassenstrom, SOI_des ein Soll-Einspritzbeginn, VVA_des eine variable Soll-Ventilstellgliedposition, p_i,ref eine Ansaugkrümmerdruckreferenz, m_egr, _red eine EGR-Luftmassenstromreferenz, SOI_ref eine Einspritzbeginnreferenz, VVA_ref eine variable Ventilstellgliedpositionsreferenz, NO_x, ein aktueller NOx, NO_x, _des ein Soll-NOx, R1, R2, S1, S2, S3 und S4 jeweils ein entsprechendes Gewicht für die Kostenfunktion J, T_q ein aktuelles Motordrehmoment und T_q, _des ein Soll-Motordrehmoment ist.
Motordrehmoment- und Emissionssteuerungssystem nach Anspruch 9, worin die Kostenfunktion J Motorsystembeschränkungen dT_q/dt und dNO_x/dt unterworfen ist, wobei $\frac{d T_{q}}{d t} = ƒ (T_{q}, p_{i}, {\dot{m}}_{a}, p_{x}, S O I, V V A, {\dot{m}}_{ƒ}, r p m)$
$\frac{d N O_{x}}{d t} = ƒ (N O_{x}, {\dot{m}}_{e g r}, {\dot{m}}_{a}, S O I, {\dot{m}}_{ƒ}, T_{i}, T_{c o o l a n t}, R H %, p_{r a i l}, V V A)$
wobei p_i ein aktueller Ansaugkrümmerdruck, px ein aktueller, Abgasdruck, p_rail ein aktueller Kraftstoffverteilerrohrdruck, ṁ_ɑ ein aktueller Frischluftmassenstrom, ṁ_fein aktueller Kraftstoffmassentstrom, SOI ein aktueller Einspritzbeginn, VVA eine aktuelle variable Ventilstellgliedposition, rpm eine aktuelle Motordrehzahl, T_i eine aktuelle Motortemperatur, RH eine aktuelle relative Feuchtigkeit und T_coolant eine aktuelle Kühlmitteltemperatur ist.