DE102018111962B4 - Verfahren der Luftladung für einen Verbrennungsmotor - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Luftladesystems (195) eines Verbrennungsmotors (110), wobei das Luftladesystem (195) umfasst, und wobei das Verfahren umfasst:Überwachen einer Vielzahl von Ausgabeparametern des Luftladesystems (195) durch eine Vielzahl von Sensoren;Berechnen eines Fehlers zwischen jedem der Ausgabeparameter und einem Sollwert davon durch einen Prozessor (452);Anwenden von jedem der berechneten Fehler, durch den Prozessor (452), auf einen Linearregler (S305, S310, S315, S320), der eine virtuelle Eingabe liefert;Berechnen einer Vielzahl von Eingabeparametern für das Luftladesystem (195) durch den Prozessor (452) unter Verwendung der virtuellen Eingabe mit einem nichtlinearen mathematischen Modell des Luftladesystems (195), das so konfiguriert ist, dass jede der virtuellen Eingaben in einer linearen Beziehung mit nur einem der Ausgabeparameter steht, wobei jeder der Eingabeparameter alle Ausgabeparameter beeinflusst; undBetreiben einer Vielzahl von Aktuatoren (290, 322, 332, 522) des Luftladesystems (195) einschließlich eines Elektromotors (605) eines Luftkompressors (600), wobei jeder der Aktuatoren (290, 322, 522) einen entsprechenden der Eingabeparameter verwendet;wobei das Berechnen der Eingabeparameter das Berechnen eines Eingabeparameters für den Elektromotor (605) durch den Prozessor (452) und mindestens eines von einem ersten Aktuator (332) für ein Lufteinlassventil (330), einem zweiten Aktuator (322) für ein Abgasrückführungsventil (320), und einem dritten Aktuator (290) für einen Turbolader (230) mit variabler Geometrie umfasst;wobei das Berechnen der Eingabeparameter das Berechnen eines Eingabeparameters für jeden von dem ersten Aktuator (332) für das Lufteinlassventil (330), den zweiten Aktuator (322) für das Abgasrückführungsventil (320) und den dritten Aktuator (290) für den Turbolader (230) mit variabler Geometrie und den Elektromotor (605) umfasst;wobei das Berechnen der Eingabeparameter weiterhin umfasst:Berechnen eines ersten Eingabeparameters durch den Prozessor (452), der einen Luftmassedurchsatz durch das Lufteinlassventil angibt;Berechnen eines zweiten Eingabeparameters durch den Prozessor (452), der einen Abgasmassedurchsatz durch das Abgasrückführventil angibt;Berechnen eines vierten Eingabeparameters durch den Prozessor (452), der eine Leistungsrate einer Turbine (250) des Turboladers (230) mit variabler Geometrie anzeigt; undBerechnen eines fünften Eingabeparameters durch den Prozessor (452), der eine elektrische Leistung anzeigt, die dem Elektromotor (605) des Luftkompressors (600) bereitzustellen ist.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren und ein System für die Luftladung für einen Verbrennungsmotor und bezieht sich insbesondere auf das Steuern des Betriebs eines Luftladesystems eines Verbrennungsmotors, beispielsweise eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs.
  • Hintergrund
  • Ein Verbrennungsmotor kann mit einem Luftladesystem ausgestattet sein, das zum Zuführen von Luft in die Brennkammern ausgelegt ist. Das Luftladesystem enthält allgemein ein Ansaugrohr, das Luft von der Umgebung zu einem Ansaugkrümmer befördert, der in Fluidverbindung mit den Brennkammern steht. Ein Einlassventil ist im Allgemeinen in dem Ansaugrohr angeordnet. Das Einlassventil weist einen Aktuator auf, der angeordnet ist, um ein Ventilelement zu bewegen, das den Massedurchsatz der Luft reguliert, die zu dem Ansaugkrümmer strömt.
  • Das Luftladesystem kann auch einen Turbolader umfassen, der zum Erhöhen des Drucks der Luft in dem Ansaugkrümmer vorgesehen ist. Der Turbolader umfasst einen in dem Ansaugrohr angeordneten Kompressor und eine Turbine, die den Kompressor durch Aufnehmen von Abgasen von einem Abgaskrümmer in Fluidverbindung mit den Brennkammern dreht. Um die Drehzahl des Kompressors zu regeln, kann die Turbine eine Turbine mit variabler Geometrie (VGT) sein, die einen Aktuator aufweist, der zur Änderung der Winkelposition der Turbineneinlassschaufeln angeordnet ist. Das Luftladesystem kann einen zusätzlichen Luftkompressor umfassen, der in dem Ansaugrohr angeordnet ist und von einem Elektromotor angetrieben wird.
  • Das Luftladesystem kann ferner eine oder mehrere Abgasrückführleitungen (AGR-Leitungen) zum Rückführen eines Teils der Abgase von dem Abgaskrümmer zurück in den Ansaugkrümmer aufweisen. Jede AGR-Leitung ist allgemein mit einem AGR-Ventil versehen, das einen Aktuator aufweist, der für das Bewegen eines Ventilelements angeordnet ist, das den Massedurchsatz der rückgeführten Abgase reguliert.
  • Während des Motorbetriebs werden die Aktuatoren des Luftladesystems, wie z. B. der/die AGR-Ventilaktuator(en), der VGT-Aktuator, der Einlassventilaktuator und der Elektromotor des Luftkompressors verwendet, um eine Anzahl von Ausgabeparametern des Luftladesystems zu regulieren, z. B. den Druck in dem Ansaugkrümmer, die Sauerstoffkonzentration in dem Ansaugkrümmer und den Druck in dem Abgaskrümmer, je nach Leistung und Emissionsanforderungen.
  • Zur Ausführung dieser Funktion werden diese Aktuatoren üblicherweise nach getrennten und unkoordinierten Regelstrategien gesteuert, die es ermöglichen, dass jeder einzelne Aktuator unabhängig voneinander in jeder gewünschten oder erforderlichen Position betrieben werden kann.
  • Die US 2017 / 0 101 946 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung, um den Betrieb eines Luftladesystems eines Verbrennungsmotors zu steuern. Eine Vielzahl von Ausgabeparametern des Luftladesystems wird überwacht. Es wird ein Fehler zwischen den überwachten Ausgabeparametern und einem Zielwert berechnet. Die berechneten Fehler werden auf einen linearen Regler angewendet, der eine virtuelle Eingabe liefert, die zur Berechnung einer Vielzahl von Eingabeparametern für das Luftladesystem verwendet wird. Die Eingabeparameter werden verwendet, um die Position eines entsprechenden Aktuators des Luftladesystems zu bestimmen und die Aktuatoren entsprechend der ermittelten Position zu betreiben. Die Eingabeparameter werden mit einem nichtlinearen mathematischen Modell des Luftladesystems berechnet, das so konfiguriert ist, dass die virtuellen Eingaben in einer linearen Beziehung zu nur einem der Ausgabeparameter stehen und umgekehrt.
  • Die DE 20 2015 005 772 U1 beschreibt ein Computerprogramm zum Betrieb eines Luftladesystems eines Verbrennungsmotors, das einen Programmcode umfasst, der bei Ausführung auf einem Computer folgende Schritte abarbeitet: Bestimmen eines Werts einer Mehrzahl virtueller Eingänge des Luftladesystems, Berechnen eines Werts einer Mehrzahl von Eingangsparametern des Luftladesystems, dabei Anwenden der bestimmten Werte der virtuellen Eingänge auf ein Feedback-Linearisierungs-Steuerungsgesetz, das so konfiguriert ist, dass jeder der virtuellen Eingänge in linearer Beziehung mit einem Ausgangsparameter des Luftladesystems und umgekehrt steht, Verwenden des berechneten Werts jedes der Eingangsparameter zur Bestimmung einer Position eines Aktuators des Luftladesystems, Betätigen jedes Aktuators gemäß der bestimmten Position desselben, wobei der Wert wenigstens eines der virtuellen Eingänge mit folgenden Schritten bestimmt wird: Bestimmen eines gewünschten Werts eines Eingangsparameters des Luftladesystems, Berechnen des Werts des virtuellen Eingangs und dabei Anwenden des gewünschten Werts des Eingangsparameters und des bestimmten Werts jedes der anderen virtuellen Eingänge auf eine Umkehrfunktion des Feedback-Linearisierungs-Steuerungsgesetzes.
  • Die EP 2 006 516 A1 beschreibt ein Verfahren, welches das Führen oder Steuern eines Drucks in einem Luftempfänger zwischen einem Kompressor eines Turboladers und einem Brennraum eines Verbrennungsmotors zur Spülung des Motors im Brennraum des Verbrennungsmotors umfasst. Eine elektrische Maschine ist mit der Welle des Turboladers verbunden und gibt eine elektrische Leistung ab. Die elektrische Leistung wird über die elektrische Maschine, über eine verstellbare Turbinenleitgeometrie einer Turbine des Turboladers und über die variablen Ventilsteuerzeiten der Brennkraftmaschine geführt oder gesteuert.
  • Dementsprechend ist es Aufgabe der Erfindung, verbesserte Regelstrategien für ein Luftladesystem bereitzustellen. Zusätzlich ist es Aufgabe der Erfindung, die Regelstrategien der Aktuatoren in dem Luftladesystem zu koordinieren.
  • Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Ferner werden weitere wünschenswerte Funktionen und Merkmale der vorliegenden Offenbarung aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, sowie dem vorangehenden technischen Gebiet und Hintergrund ersichtlich.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Die Erfindung wird durch die Ansprüche definiert.
  • Es werden Verfahren und Systeme zum Steuern des Betriebs eines Luftladesystems bereitgestellt. In verschiedenen Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Luftladesystems eines Verbrennungsmotors bereitgestellt, wobei das Luftladesystem eine Vielzahl von Aktuatoren umfasst. Die Aktuatoren umfassen einen Elektromotor eines Luftkompressors. Eine Vielzahl von Ausgabeparametern des Luftladesystems wird durch eine Vielzahl von Sensoren überwacht. Ein Fehler zwischen jedem der Ausgabeparameter und einem Sollwert davon wird von einem Prozessor berechnet. Jeder der berechneten Fehler wird auf einen Linearregler angewendet, der eine virtuelle Eingabe liefert. Eine Vielzahl von Eingabeparametern für das Luftladesystem wird unter Verwendung der virtuellen Eingaben berechnet, wobei jeder der Eingabeparameter alle Ausgabeparameter beeinflusst. Die Eingabeparameter werden mit einem nichtlinearen mathematischen Modell des Luftladesystems berechnet, das konfiguriert ist, damit jeder der virtuellen Eingaben in einer linearen Beziehung mit nur einem der Ausgabeparameter steht. Jeder der Aktuatoren des Luftladesystems wird unter Verwendung eines entsprechenden der Eingabeparameter betrieben.
  • In anderen Ausführungsformen umfasst ein Luftladesystem eines Verbrennungsmotors eine Vielzahl von Aktuatoren. Einer der Aktuatoren ist ein Elektromotor eines Luftkompressors. Eine elektronische Regeleinheit enthält einen Prozessor, der konfiguriert ist, um eine Vielzahl von Ausgabeparametern des Luftladesystems zu überwachen. Ein Fehler zwischen jedem der überwachten Ausgabeparameter und einem Sollwert davon wird von dem Prozessor berechnet. Jeder der berechneten Fehler wird auf einen Linearregler angewendet, der eine virtuelle Eingabe liefert. Die virtuellen Eingaben werden von dem Prozessor verwendet, um eine Vielzahl von Eingabeparametern für das Luftladesystem zu berechnen. Die Eingabeparameter werden unter Verwendung eines nichtlinearen mathematischen Modells des Luftladesystems berechnet, das konfiguriert ist, damit jede der virtuellen Eingaben in einer linearen Beziehung mit nur einem der Ausgabeparameter steht. Der Prozessor verwendet jeden der Eingabeparameter, um einen entsprechenden der Aktuatoren des Luftladesystems zu betreiben.
  • Figurenliste
  • Die exemplarischen Ausführungsformen werden nachfolgend in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen beschrieben, worin gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, und worin gilt:
    • 1 zeigt schematisch ein Automobilsystem gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
    • 2 ist Abschnitt A-A von 1;
    • 3 zeigt schematisch ein Automobilsystem gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
    • 4 zeigt schematisch ein Automobilsystem gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
    • 5 zeigt schematisch ein Automobilsystem gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
    • 6 zeigt schematisch ein Beispiel eines nicht-linearen multivariablen Luftladeregelsystems des Kraftfahrzeugsystems von 1 unter Verwendung der Feedback-Linearisierungsregelung;
    • 7 zeigt schematisch ein Beispiel eines nicht-linearen multivariablen Luftladeregelsystem des Kraftfahrzeugsystems von 3 unter Verwendung der Feedback-Linearisierungsregelung;
    • 8 zeigt schematisch ein Beispiel eines nicht-linearen multivariablen Luftladeregelsystems des Kraftfahrzeugsystems von 4 unter Verwendung der Feedback-Linearisierungsregelung;
    • 9 zeigt schematisch ein Beispiel eines nicht-linearen multivariablen Luftladeregelsystems des Kraftfahrzeugsystems von 5 unter Verwendung der Feedback-Linearisierungsregelung; und
    • 10 ist ein Ablaufdiagramm, das die allgemeine Regelstrategie darstellt, die durch alle obigen Beispiele ausgelöst wird.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Die folgende ausführliche Beschreibung ist lediglich exemplarischer Natur und soll die Erfindung oder die Anwendung und die Verwendungen der Erfindung, die hierin offenbart ist, nicht einschränken. Weiterhin besteht keine Absicht, im vorstehenden technischen Bereich, Hintergrund, der Zusammenfassung oder der folgenden ausführlichen Beschreibung an eine ausdrücklich oder implizit vorgestellte Theorie gebunden zu sein, sie wird ausdrücklich als beanspruchter Gegenstand wiedergegeben. Der hier verwendete Begriff „Modul“ bezieht sich auf eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppenprozessor) und einen Speicher, der ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten ausführt, die die beschriebene Funktionalität bieten.
  • Hierin beschriebenen exemplarischen Ausführungsformen stellen ein System und Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Luftladesystems eines Verbrennungsmotors bereit, wobei das Luftladesystem eine Vielzahl von Aktuatoren umfasst. Die von den Aktuatoren des Luftladesystems auf Ausgabeparameter erzeugten Effekte sind im Allgemeinen voneinander abhängig und haben gegenseitige Wechselwirkungen, sodass getrennte und unkoordinierte Regelstrategien, insbesondere während schneller Transienten, möglicherweise nicht optimal sind. Darüber hinaus erfordert ein getrennter und unkoordinierter Regelansatz eine umfangreiche Kalibrierungsaktivität, die in einigen Fällen Hunderte von Nachschlagetabellen enthält. Dementsprechend stellt eine Regelstrategie des Luftladesystems mit einer koordinierten und gleichzeitigen Einstellung der Aktuatoren zum Kompensieren ihrer Wechselwirkungen, wie hierin beschrieben, eine zuverlässige Regelstrategie bereit, die wesentlich weniger Kalibrierungsaufwand erfordert. Diese Regelstrategie sorgt für die Regelung des Luftladesystems unter Verwendung eines Feedback-Linearisierungsansatzes mit mehreren Eingaben und mehreren Ausgaben (MIMO), der eine gleichzeitige und koordinierte Regelung der Aktuatoren ermöglicht, während deren Wechselwirkungen kompensiert werden. Diese koordinierte Regelstrategie hat ein gutes Einschwingverhalten und eine gute Genauigkeit und verbessert den Kompromiss zwischen Motorleistung und Emissionen unter allen Betriebsbedingungen. Durch den Einsatz eines mathematischen Modells des Luftladesystems wird durch eine koordinierte Regelstrategie der Kalibrieraufwand zusätzlich reduziert.
  • Einige Ausführungsformen können ein Automobilsystem 100 beinhalten, wie in 1 und 2 gezeigt, das einen Verbrennungsmotor (Internal Combustion Engine, ICE) 110, beispielsweise einen Selbstzündungsmotor (beispielsweise Diesel) oder einen Ottomotor (beispielsweise Benzin) beinhaltet. Der Verbrennungsmotor 110 weist einen Motorblock 120 auf, der mindestens einen Zylinder 125 mit einem Kolben 140 definiert, der zum Drehen einer Kurbelwelle 145 gekoppelt ist. Ein Zylinderkopf 130 bildet zusammen mit dem Kolben 140 eine Brennkammer 150. Ein Kraftstoff-/Luftgemisch wird in die Brennkammer 150 eingebracht und entzündet, was im Ergebnis eine wechselseitige Bewegung des Kolbens 140 durch die sich ausdehnenden heißen Abgase verursacht. Der Kraftstoff wird durch mindestens eine Kraftstoffeinspritzdüse 160 und die Luft durch mindestens einen Einlasskanal 210 zur Verfügung gestellt. Der Kraftstoff wird unter Hochdruck aus dem Kraftstoffverteiler 170, der in Fluidverbindung mit einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe 180 zur Druckerhöhung des Kraftstoffs aus einer Kraftstoffquelle 190 verbunden ist, zur Einspritzdüse 160 geleitet. Jeder der Zylinder 125 hat mindestens zwei Ventile 215, die durch eine Nockenwelle 135 betätigt werden, die sich abgestimmt mit der Kurbelwelle 145 dreht. Die Ventile 215 lassen selektiv Luft aus dem Einlasskanal 210 in die Brennkammer 150 und lassen die Abgase alternativ durch eine Abgasöffnung 220 entweichen. In einigen Beispielen kann ein Nockenwellenversteller 155 selektiv das Timing zwischen der Nockenwelle 135 und der Kurbelwelle 145 variieren.
  • Die Abgase aus der Brennkammer 150 werden in ein Abgassystem 270 geleitet. Das Abgassystem 270 kann einen Abgaskrümmer 225 beinhalten, der in Fluidverbindung mit der/den Abgasöffnung(en) 220 steht, welche die Abgase sammeln und sie in eine Abgasleitung 275 mit einer oder mehreren Abgasnachbehandlungsvorrichtungen 280 leitet. Die Nachbehandlungsvorrichtungen 280 können jede mögliche Vorrichtung sein, die dank ihrer Auslegung die Zusammensetzung der Abgase ändern kann. Einige Beispiele für Nachbehandlungsvorrichtungen 280 beinhalten, sind jedoch nicht beschränkt auf, katalytische Konverter (Zwei- und Dreiwege), Oxidationskatalysatoren, NOx-Speicherkatalysatoren, Kohlenwasserstoffadsorber,selektive katalytische Reduktionsvorrichtungssysteme (SCR-Systeme) und Partikelfilter.
  • Die Luft kann über ein Luftladesystem 195 an den oder die Luftansaugkanäle 210 geliefert werden. Das Luftladesystem 195 kann einen Ansaugkrümmer 200 in Verbindung mit dem/den Luftansaugkanälen 210 umfassen. Ein Ansaugkanal 205 kann Umgebungsluft zum Ansaugkrümmer 200 leiten. Ein Einlassventil 330 kann in dem Ansaugkanal 205 angeordnet sein. Das Einlassventil 330 kann ein bewegliches Ventilelement 331, beispielsweise einen Drosselkörper, und einen elektrischen Aktuator 332 beinhalten, welcher das Ventilelement 331 zur Regelung des Massedurchsatzes von Luft in den Krümmer 200 bewegt.
  • Das Luftladesystem 195 kann ebenfalls einen Turbolader mit variabler Geometrie 230 mit einem Kompressor 240 umfassen, der drehbar mit einer Turbine 250 gekoppelt ist, worin der Kompressor im Ansaugkanal 205 angeordnet ist und die Turbine in der Abgasleitung 275. Die Rotation des Kompressors 240 erhöht Druck und Temperatur der Luft im Ansaugkanal 205 und Ansaugkrümmer 200. Ein Ladeluftkühler 260, der im Ansaugkanal 205 zwischen dem Kompressor 240 und dem Ansaugkrümmer 200 angeordnet ist, kann die Lufttemperatur verringern. Die Turbine 250 rotiert, indem sie Abgase aus dem Abgaskrümmer 225 erhält, der Abgase von den Abgasöffnungen 220 und durch eine Reihe von Schaufeln vor der Expansion durch die Turbine 250 leitet. Dieses Beispiel zeigt eine Turbine mit variabler Geometrie (VGT - Variable Geometry Turbine) mit einem VGT-Aktuator 290, der angeordnet ist, um die Schaufeln der Turbine 250 zu bewegen, um den Abgasstrom durch diese Turbine zu ändern.
  • Das Luftladesystem 195 kann ferner ein Abgasrückführungssystem (AGR-System) zum Rückführen eines Teils der Abgase in die Brennkammern 150 umfassen. Das AGR-System kann eine Hochdruck-AGR-Leitung (HD-AGR-Leitung) 300 umfassen, die zwischen dem Abgaskrümmer 225 und dem Ansaugkrümmer 200 gekoppelt ist. Genauer gesagt zweigt die Hochdruck-AGR-Leitung 300 von dem Abgaskrümmer 225 oder von einer Stelle der Abgasleitung 275 ab, die der Turbine 250 nachgeordnet ist, und führt zu einem Punkt des Ansaugkanals 205, der dem Kompressor 240 nachgeordnet angeordnet ist, wie z. B. zwischen dem Ansaugkrümmer 200 und dem Einlassventil 330. Die Hochdruck-AGR-Leitung 300 kann mit einem Hochdruck-AGR-Kühler 310 zur Verringerung der Temperatur der darin strömenden Abgase ausgerüstet sein. Ein Hochdruck-AGR-Ventil 320 kann in der Hochdruck-AGR-Leitung 300 angeordnet sein. Das Hochdruck-AGR-Ventil 320 kann ein bewegliches Ventilelement 321 und einen elektrischen Aktuator 322, der das Ventilelement 321 bewegt, umfassen, um den Massedurchsatz der Abgase in der Hochdruck-AGR-Leitung 300 zu regulieren.
  • In einigen Ausführungsformen, wie in den 4 und 5 gezeigt, kann das AGR-System ferner eine Niederdruck-AGR-Leitung (ND-AGR-Leitung) 500 umfassen, die zwischen dem Abgaskrümmer 225 und dem Ansaugkrümmer 200 gekoppelt ist. Genauer gesagt zweigt die Niederdruck-AGR-Leitung 500 von einem Punkt der Abgasleitung 275 ab, der stromabwärts der Turbine 250 angeordnet ist, beispielsweise stromabwärts der Nachbehandlungsvorrichtungen 280, und führt zu einem Punkt des Ansaugkanals 205, der stromaufwärts von dem Kompressor 240 angeordnet ist. Die Niederdruck-AGR-Leitung 500 kann mit einem Niederdruck-AGR-Kühler 510 zur Verringerung der Temperatur der darin strömenden Abgase ausgerüstet sein. Ein Niederdruck-AGR-Ventil 520 kann in der Niederdruck-AGR-Leitung 500 angeordnet sein. Das Niederdruck-AGR-Ventil 520 kann ein bewegliches Ventilelement 521 und einen elektrischen Aktuator 522 umfassen, welcher das Ventilelement 521 bewegt, um den Massedurchsatz der Abgase in der Niederdruck-AGR-Leitung 500 zu regulieren.
  • Das Luftladesystem 195 kann ferner einen zusätzlichen Luftkompressor 600, der auch als elektrischer Kompressor oder einfach E-Kompressor bezeichnet wird, umfassen, der von einem speziellen Elektromotor 605 angetrieben wird. Der Luftkompressor 600 kann in dem Ansaugkanal 205 stromaufwärts oder stromabwärts von dem Kompressor 240 des Turboladers 230 angeordnet sein. Insbesondere kann der Luftkompressor 600 für die Ausführungsformen, die keine Niederdruck-AGR-Leitung 500 umfassen, zwischen dem Kompressor 240 und dem Luftmassenstrom- und Temperatursensor 340 angeordnet sein, wie in 1 gezeigt, oder kann zwischen dem Kompressor 240 und dem Ladeluftkühler 260 angeordnet sein, wie dies in 3 gezeigt ist. Für die Ausführungsformen, die die Niederdruck-AGR-Leitung 500 umfassen, kann der Luftkompressor 600 zwischen dem Kompressor 240 und dem ND-AGR-Ventil 520 angeordnet sein, wie in 4 gezeigt, oder kann zwischen dem Kompressor 240 und dem Ladeluftkühler 260 angeordnet sein, wie in 5 gezeigt.
  • Das Automobilsystem 100 kann ferner eine elektronische Steuereinheit (ECU) 450 beinhalten, die mit einem oder mehreren Sensoren und/oder Vorrichtungen in Verbindung steht, die dem Brennkraftmotor 110 zugeordnet sind. Die ECU 450 und insbesondere deren Prozessor 452 kann Eingabesignale von diversen Sensoren empfangen, die so konfiguriert sind, um im Zusammenhang mit verschiedenen physikalischen Parametern bezogen auf den Verbrennungsmotor 110 Signale zu erzeugen. Zu diesen Sensoren gehören ohne Einschränkung ein Luftmassenstrom- und Temperatursensor 340, die in dem Ansaugkanal 205 stromaufwärts des ND-AGR-Ventils 520 in der Ausführungsform der 4 und 5 befindlich sind, ein Krümmerdruck- und Temperatursensor 350, ein Brennkammerdrucksensor 360, ein Füllstands- und Temperatursensor für Kühlmittel und Öl 380, ein Drucksensor in der Kraftstoff-Verteilerleitung 400, ein Nockenwellenpositionssensor 410, ein Kurbelwellenpositionssensor 420, Abgasdruck- und Temperatursensoren 430, ein HD-AGR-Temperatursensor 440, und ein Gaspedalpositionssensor 445. Des Weiteren kann die ECU 450 über den Prozessor 452 Ausgabesignale generieren, die an verschiedene Regelvorrichtungen bereitgestellt werden und die angeordnet sind, um den Betrieb des Verbrennungsmotors 110, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf, die Kraftstoffeinspritzdüsen 160, den Einlassventilaktuator 332, den Hochdruck-AGR-Ventilaktuator 322, den Niederdruck-AGR-Ventilaktuator 522, den VGT-Aktuator 290, den Elektromotor 605 und den Nockenwellenversteller 155. Zu beachten ist, dass die Kommunikation zwischen der ECU 450 und den verschiedenen Sensoren und Geräten durch gestrichelte Linien dargestellt wird, zur besseren Übersicht werden einige jedoch unterdrückt.
  • Die ECU 450 betreffend kann dieses Gerät eine digitale Zentralverarbeitungseinheit (CPU) beinhalten, die mit einem Speichersystem, und einem Schnittstellenbus in Verbindung steht. Die CPU ist als Prozessor 452 ausgeführt und konfiguriert, um die in dem Speichersystem 460 als Programm abgelegten Anweisungen auszuführen und über den Schnittstellenbus Signale zu senden und zu empfangen. Das Speichersystem 460 kann über verschiedene Speicherarten verfügen, darunter optische Speicher, magnetische Speicher, Festkörperspeicher und andere Permanentspeicher. Der Schnittstellenbus kann dafür ausgelegt sein, analoge und/oder digitale Signale zu modulieren und an die verschiedenen Sensoren und Steuergeräte zu senden, bzw. sie von diesen zu empfangen. Das Programm kann die hierin offenbarten Verfahren verkörpern, was es der CPU ermöglicht, die Schritte dieser Verfahren auszuführen und die ICE 110 zu steuern. Die Verfahren werden mithilfe eines Computerprogramms oder von Programmen ausgeführt, die einen Programmcode umfassen, der sich in dem Prozessor 452 oder in einer Anzahl von Prozessoren befindet, um alle Schritte des hierin beschriebenen Verfahrens und in der Form eines Computerprogrammprodukts mit dem Computerprogramm auszuführen. Das Verfahren kann auch als ein elektromagnetisches Signal ausgeführt werden, wobei das Signal moduliert wird, um eine Folge von Datenbits zu tragen, die ein Computerprogramm zur Durchführung aller Schritte des Verfahrens repräsentiert.
  • Das im Speichersystem 460 gespeicherte Programm wird von außen über ein Kabel oder drahtlos übertragen. Außerhalb des Automobilsystems 100 ist es normalerweise als ein Computerprogrammprodukt sichtbar, das in der Technik auch als computerlesbares Medium oder maschinenlesbares Medium bezeichnet wird und als ein Computerprogrammcode zu verstehen ist, der sich auf einem Träger befindet, wobei der Träger in der Art flüchtig oder nichtflüchtig ist, mit der Konsequenz, dass das Computerprogrammprodukt als flüchtig oder nichtflüchtig betrachtet werden kann.
  • Ein Beispiel für ein transitorisches Computerprogrammprodukt ist ein Signal, beispielsweise ein elektromagnetisches Signal, wie etwa ein optisches Signal, das ein transitorischer Träger für den Computerprogrammcode ist. Das Tragen eines solchen Computerprogrammcodes kann durch Modulieren des Signals durch eine herkömmliche Modulationstechnik, wie etwa Vierphasenumtastung (QPSK) für digitale Daten, erreicht werden, sodass dem transitorischen elektromagnetischen Signal binäre Daten, die den Computerprogrammcode darstellen, eingeprägt werden. Derartige Signale werden beispielsweise bei der drahtlosen Übertragung von Computerprogrammcode über eine Wi-Fi-Verbindung zu einem Laptop verwendet.
  • Im Falle eines nicht-transitorischen Computerprogrammprodukts ist der Computerprogrammcode in einem materiellen Speichermedium verkörpert. Das Speichermedium ist dann der oben erwähnte nicht-transitorische Träger, sodass der Computerprogrammcode dauerhaft oder nicht dauerhaft abrufbar in oder auf diesem Speichermedium gespeichert wird. Das Speichermedium kann von herkömmlicher Art sein, wie es in der Computertechnologie bekannt ist, wie etwa ein Flash-Speicher, ein ASIC, eine CD oder dergleichen.
  • Anstelle einer ECU 450 kann das Automobilsystem 100 verschiedene Prozessortypen aufweisen, um die elektronische Logik, beispielsweise eine eingebettete Steuerung, einen Bordcomputer oder ein beliebiges Verarbeitungsmodul vorzusehen, die in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden könnten.
  • Genauer gesagt kann die ECU 450 konfiguriert sein, um die Aktuatoren des Luftladesystems 195 unter Verwendung eines Feedback-Linearisierungsansatzes zu steuern, der auf einem nichtlinearen mathematischen Modell mit mehreren Eingaben und Ausgaben (MIMO-Modell) des Luftladesystems 195 basieren kann. Wenn beispielsweise angenommen wird, dass das AGR-System nur eine AGR-Leitung umfasst, beispielsweise wie in den 1 und 3 gezeigt nur die HD-AGR-Leitung 300, umfassen die Aktuatoren des Luftladesystems 195 den Einlassventilaktuator 332, den HD-AGR-Ventilaktuator 322, den VGT-Aktuator 290 und den Elektromotor 605 des zusätzlichen Luftkompressors 600.
  • Betrachtet man den Fall von 1, worin der Luftkompressor 600 stromaufwärts von dem Kompressor 240 des Turboladers 230 angeordnet ist, können die Eingabeparameter des Luftladesystems 195 einen Parameter Witv indikativ für den Massedurchsatz durch das Einlassventil 330, einen Parameter Wegr indikativ für den Abgasmassedurchsatz durch das HD-AGR-Ventil 320, einen Parameter Wvgt indikativ für den Abgasmassedurchsatz durch die Turbine 250 des Turboladers mit variabler Geometrie 230 und einen Parameter Pe indikativ für eine elektrische Leistung, die dem Elektromotor 605 des Luftkompressors 600 bereitgestellt wird, enthalten.
  • In diesem Fall können die Ausgabeparameter des Luftladesystems 195 einen Parameter px indikativ für einen Abgasdruck innerhalb des Abgaskrümmers 225, einen Parameter pi indikativ für einen Ansaugkrümmerdruck, einen Parameter Fi indikativ für einen Restgasanteil in dem Ansaugkrümmer 200 und einen Parameter pec indikativ für einen Luftdruck stromabwärts des Luftkompressors 600, beispielsweise zwischen dem Luftkompressor 600 und dem Kompressor 240 des Turboladers 230, umfassen.
  • Das nichtlineare mathematische MIMO-Modell des Luftladesystems 195 kann durch die folgenden Gleichungen definiert werden: p ˙ i = d p i d t = γ R V i ( W i t v T i c + W e g r T e g r − W e i T i )
    Figure DE102018111962B4_0001
     p ˙ x = d p x d t = γ R V x ( W e x T e o u t − W e g r T x − W v g t T x )
    Figure DE102018111962B4_0002
     F ˙ i = d F i d t = ( F x − F i ) W e g r − F i W i t v m i
    Figure DE102018111962B4_0003
     p ˙ e c = d p e c d t = p e c _ u s ⋅ c ⋅ ( P e − c p ⋅ W c ⋅ T c _ d s ⋅ R e c )
    Figure DE102018111962B4_0004
    worin y das Verhältnis der spezifischen Wärme ist, R ist die universelle Gaskonstante, Vi ist ein Ansaugkrümmerinnenvolumen, Ti, ist eine Lufttemperatur in dem Ansaugkanal 205 stromabwärts des Ladeluftkühlers 260, Ti ist eine Lufttemperatur innerhalb des Ansaugkrümmers 200, Tegr ist eine rückgeführte Abgastemperatur, Tx ist eine Abgastemperatur innerhalb des Abgaskrümmers 225, Teout ist eine Temperatur des Abgases, das den Verbrennungsmotor 110 verlässt, Vx ist ein Abgaskrümmervolumen, Fx ist einen Restgasanteil innerhalb des Abgaskrümmers 225, mi ist die Gesamtmasse der Gase innerhalb des Ansaugkrümmers 200, Wei ist der Gesamtmassendurchsatz von Gasen, die in den Motor 110 eintreten, Wex ist der Gesamtmassendurchsatz von Gasen, die den Motor 110 verlassen, pec_us ist der Luftdruck stromaufwärts von dem Luftkompressor 600, c ist eine Konstante in Bezug auf die Turboladerträgheit, Pe ist die elektrische Leistung, die dem Elektromotor 605 des Luftkompressors 600 bereitgestellt wird, cp ist eine spezifische Wärmekapazität der Luft bei konstantem Druck, Wc ist der Gesamtmassendurchsatz von Luft durch den Kompressor 240, Tc_ds ist die Lufttemperatur stromabwärts des Kompressors 240, beispielsweise zwischen dem Kompressor 240 und dem Ladeluftkühler 260, und Rec ist eine Leistungsrate des Luftkompressors 260.
  • Es sollte erkannt werden, dass Rec eine Funktion der folgenden Parameter sein kann: R e c = ƒ ( W c ( T c _ d s / ) T r e f p c _ d s , β e c )
    Figure DE102018111962B4_0005
    worin Tref die Referenztemperatur ist, mit der das Verdichterkennfeld korrigiert wird, pc_ds ist der Luftdruck stromabwärts des Kompressors 240, beispielsweise zwischen dem Kompressor 240 des Ladeluftkühlers 260, und ist die Kompressionsrate, die durch den Luftkompressor 600 verursacht wird, nämlich das Verhältnis zwischen dem Luftdruck stromaufwärts und stromabwärts des Luftkompressors 600.
  • Das nichtlineare mathematische MIMO-Modell des Luftladesystems 195 kann gleichermaßen durch die folgende Matrixgleichung definiert werden: [ p ˙ i p ˙ x F ˙ i p ˙ e c ] = [ γ R V i ( W i t v T i c + W e g r T e g r − W e i T i ) γ R V x ( W e x T e o u t − W e g r T x − W v g t T x ) ( F x − F i ) W e g r − F i W i t v m i p e c _ u s ⋅ c ⋅ ( P e − c p ⋅ W c ⋅ T c _ d s ⋅ R e c ) ] = [ − γ R V i T i W e i γ R V x T e o u t W e x 0 − p e c _ u s ⋅ c ⋅ c p ⋅ W c ⋅ T c _ d s ⋅ R e c ] + [ γ R V i T i c γ R V i T e g r 0 0 0 0 − γ R V x T x − γ R V x T x 0 − F i m i − F i m i 0 0 0 0 0 p e c _ u s ⋅ c ] ⋅ [ W i t v W e g r W v g t P e ] .
    Figure DE102018111962B4_0006
  • Definieren eines Ausgabevektors y als: y = [ p i p x F i p e c ]
    Figure DE102018111962B4_0007
  • Eines Eingabevektors u als: u = [ W i t v W e g r W v g t P e ]
    Figure DE102018111962B4_0008
  • Eines ersten Vektors Cƒ (x) von Funktionen als: C f ( x ) = [ − γ R V i T i W e i γ R V x T e o u t W e x 0 − p e c _ u s ⋅ c ⋅ c p ⋅ W c ⋅ T c _ d s ⋅ R e c ]
    Figure DE102018111962B4_0009
  • Und einer Matrix Gg (x) von Funktionen als: G g ( x ) = [ γ R V i T i c γ R V i T e g r 0 0 0 0 − γ R V x T x − γ R V x T x 0 − F i m i − F i m i 0 0 0 0 0 p e c _ u s ⋅ c ]
    Figure DE102018111962B4_0010
  • Die obige Matrixgleichung kann wie folgt umgeschrieben werden: y ˙ = G g ( x ) ⋅ u + C f ( x )
    Figure DE102018111962B4_0011
    worin x generisch einen Vektor von Zustandsvariablen des Luftladesystems 195 bezeichnet.
  • Folglich ist es möglich, einen Vektor v von virtuellen Eingaben zu definieren: v = [ v 1 v 2 v 3 v 4 ]
    Figure DE102018111962B4_0012
    und diesen virtuellen Eingabevektor v zu verwenden, um einen Regelungsalgorithmus für die Feedback-Linearisierung u(x, v) gemäß folgender Matrixgleichung zu entwickeln: u ( x , v ) = G g ( x ) − 1 ⋅ ( v − C f ( x ) )
    Figure DE102018111962B4_0013
    sodass: y ˙ = v
    Figure DE102018111962B4_0014
  • Das nichtlineare MIMO-System wurde in ein äquivalentes lineares System umgewandelt, in dem jede der virtuellen Eingaben v1, v2, v3 und v4 sich nur auf einen der Ausgabeparameter ṗl, ṗx, Ḟl und ṗec bezieht und umgekehrt, und wobei die Beziehung zwischen jeder der virtuellen Eingaben und dem jeweiligen Ausgabeparameter eine lineare Beziehung ist.
  • Unter Ausnutzung dieser Umwandlung kann die ECU 450 so konfiguriert sein, dass der Prozessor 452 den Einlassventilaktuator 332, den AGR-Ventilaktuator 322, den VGT-Aktuator 290 und den Elektromotor 605 des Luftkompressors 600 während des Betriebs des Verbrennungsmotors 110 durch den in 6 dargestellten linearen Regelvorgang steuert. Dies stellt eine Implementierung der Regelstrategie bereit, wenn die oben identifizierten Aktuatoren involviert sind und wenn der Luftkompressor 600 in dem Ansaugkanal 205 stromaufwärts von dem Kompressor 240 des Turboladers mit variabler Geometrie 230 angeordnet ist.
  • Dieser Regelvorgang ermöglicht der ECU 450 durch den Prozessor 452 Daten über den Wert der Ausgabeparameter des Luftladesystems 195 zu überwachen (Modul S300) und zu empfangen, nämlich den Abgaskrümmerdruck px, den Ansaugkrümmerdruck pi, den Restgasanteil Fi in dem Ansaugkrümmer 200 und den Luftdruck pec stromaufwärts von dem Luftkompressor 600, zusammen mit dem Wert der anderen beobachtbaren Zustandsvariablen des Systems, das an dem oben genannten nichtlinearen mathematischen MIMO-Modell beteiligt ist, nämlich die Ansaugkrümmerlufttemperatur Ti, die Lufttemperatur Ti, in dem Ansaugkanal 205 stromabwärts des Ladeluftkühlers 260, die rückgeführte Abgastemperatur Tegr, die Abgaskrümmergastemperatur Tx, die Motorabgastemperatur Teout, den Restgasanteil Fx in dem Abgaskrümmer 225, die Gesamtmasse mi an dem Ansaugkrümmer 200, den Gesamtmassedurchsatz Wei, der in den Motor 110 eintritt, den Gesamtmassedurchsatz Wex, der den Motor 110 verlässt, den Gesamtmassedurchsatz Wc von Luft durch den Kompressor 240, die Lufttemperatur Tc_ds stromabwärts des Kompressors 240 und die Leistungsrate Rec des Luftkompressors 260.
  • In dieser Hinsicht kann der Wert des Abgaskrümmerdrucks px durch einen Drucksensor gemessen werden, der in dem Abgaskrümmer 225 oder in der Abgasleitung 275 stromaufwärts der Turbine 250 angeordnet sein kann. Alternativ kann dieser Druckwert auf der Grundlage anderer messbarer Betriebsparameter des Verbrennungsmotors 110 geschätzt werden, beispielsweise auf der Grundlage der Messungen, die von den Abgasdruck- und Temperatursensoren 430 durchgeführt werden. Der Wert des Ansaugkrümmerdrucks pi kann durch den Krümmerdruck- und Temperatursensor 350 gemessen werden, der in dem Ansaugkrümmer 200 angeordnet ist. Der Wert des Restgasanteils Fi kann als eine Funktion des Werts einer Sauerstoffkonzentration O2 innerhalb des Ansaugkrümmers 200 gemäß der Gleichung Fi = 1 - O2 berechnet werden. Der Wert der Sauerstoffkonzentration O2 kann durch einen dedizierten Sensor gemessen werden, der in dem Ansaugkrümmer 200 angeordnet ist, oder kann auf der Grundlage anderer messbarer Betriebsparameter des Verbrennungsmotors 110 geschätzt werden. Der Wert der Ansaugkrümmer-Lufttemperatur Ti kann durch den Krümmerdruck- und Temperatursensor 350 gemessen werden, der in dem Ansaugkrümmer 200 angeordnet ist. Der Wert der Ansaugkrümmer-Lufttemperatur stromabwärts des Ladeluftkühlers Tic kann durch einen dedizierten Sensor gemessen oder auf der Grundlage der Messungen geschätzt werden, die durch den Krümmerdruck- und Temperatursensor 350 durchgeführt werden. Der Wert der rückgeführten Abgastemperatur Tegr kann durch den HD-AGR-Temperatursensor 440 gemessen werden. Der Wert der Abgaskrümmergastemperatur Tx kann durch einen Temperatursensor gemessen werden, der in dem Abgaskrümmer 225 oder in der Abgasleitung 275 stromaufwärts der Turbine 250 angeordnet sein kann. Alternativ kann dieser Temperaturwert auf der Grundlage anderer messbarer Betriebsparameter des Verbrennungsmotors 110 geschätzt werden, beispielsweise auf der Grundlage der Messungen, die von den Abgasdruck- und Temperatursensoren 430 durchgeführt werden. Der Wert der aus dem Motor austretenden Abgastemperatur Teout kann durch einen dedizierten Sensor bestimmt oder auf der Grundlage anderer messbarer Betriebsparameter des Verbrennungsmotors 110 geschätzt werden. Der Wert des Restgasanteils Fx an dem Abgaskrümmer 225 kann durch einen Lambdasensor gemessen werden, der sich in der Abgasleitung 275 stromaufwärts der Nachbehandlungsvorrichtungen 280 befindet. Der Wert der Gesamtmasse mi an dem Ansaugkrümmer 200, der Wert des Gesamtmassedurchsatzes Wei, der in den Motor 110 eintritt und der Wert des Gesamtmassedurchsatzes Wex, der den Motor 110 verlässt, kann mit Hilfe des Luftmassenstrom- und Temperatursensors 340 gemessen oder geschätzt werden. Der Gesamtmassedurchsatz Wc von Luft durch den Kompressor 240 kann ausgehend von dem gemessenen Luftmassedurchsatz plus einer Abschätzung der ND-AGR-Strömung berechnet werden. Die Lufttemperatur Tc_ds stromabwärts des Kompressors 240 kann mit einem dedizierten Sensor gemessen oder geschätzt werden. Die Leistungsrate Rec des Luftkompressors 260 kann mit der oben genannten Formel berechnet werden, wobei der Luftdruck pc_ds stromabwärts des Kompressors 240 mit einem Drucksensor gemessen werden und βec als das Verhältnis zwischen pitv_us und pc_ds bestimmt werden kann
  • Die überwachten Werte der Ausgabeparameter , pi, Fi und px werden zurückgemeldet und zur Berechnung eines Fehlers (d. h. einer Differenz) pec, e1, e2 und e3 zwischen jedem von ihnen und einem entsprechenden Sollwert e4, pi_tar, Fi_tar und px_tar davon verwendet: e 1 = p i _ tar − p i
    Figure DE102018111962B4_0015
     e 2 = F i _ tar − F i
    Figure DE102018111962B4_0016
     e 3 = p x _ tar − p i
    Figure DE102018111962B4_0017
     e 3 = p ec _ tar − p ec
    Figure DE102018111962B4_0018
  • Die Sollwerte Pi_tar, Px_tar, Pec_tar und Fi_tar für die Ausgabeparameter können über die ECU 450 durch den Prozessor 452 auf der Grundlage anderer herkömmlicher Strategien, beispielsweise auf der Grundlage des Motorbetriebspunkts, bestimmt werden.
  • Der erste Fehler e1 wird dann als Eingabe an einen ersten Linearregler mit Einzeleingabe und Einzelausgabe (SISO-Linearregler) S305 angelegt, der als Ausgabe einen entsprechenden Wert für die erste virtuelle Eingabe liefert v1. Der zweite Fehler e2 wird als Eingabe an einen zweiten SISO-Linearregler S310 angelegt, der als Ausgabe einen entsprechenden Wert für die zweite virtuelle Eingabe liefert v2. Der dritte Fehler e3 wird als Eingabe an einen dritten SISO-Linearregler S315 angelegt, der als Ausgabe einen entsprechenden Wert für die dritte virtuelle Eingabe liefert v3. Der vierte Fehler e4 wird als Eingabe an einen vierten SISO-Linearregler S320 angelegt, der als Ausgabe einen entsprechenden Wert für die vierte virtuelle Eingabe liefert v4.
  • Die vier Linearregler S305, S310, S315 und S320 können zum Beispiel Proportional-Integral-Regler (PI-Regler) oder Proportional-Integral-Differential-Regler (PID-Regler) sein und sind über das oben erläuterte äquivalente lineare System abgestimmt, um die jeweiligen Fehler e1, e2, e3 und e4 zu minimieren. Dieser Aspekt hat den Effekt, dass der lineare Regelkreis innerhalb des Feedback-Linearisierungsansatzes vereinfacht wird.
  • Die Werte der virtuellen Eingaben v1, v2, v3 und v4 werden dann einem nichtlinearen Berechnungsmodul S325 zugeführt, wo sie verwendet werden, um entsprechende Werte der Eingabeparameter Witv, Wegr, Wvgt und Pe des Luftladesystems 195 zu berechnen. Insbesondere kann das Berechnungsmodul S320 die Werte dieser Eingabeparameter mit dem zuvor erläuterten Regelungsalgorithmus für die Feedback-Linearisierung berechnen: u = [ W i t v W e g r W v g t P e ] = G g ( x ) − 1 ⋅ ( v − C f ( x ) )
    Figure DE102018111962B4_0019
  • Der berechnete Wert des Luftmassedurchsatzes Witv wird dann einem Berechnungsmodul S330 zugeführt, das ein mathematisches Modell des Einlassventils 330 verwenden kann, um eine Position Uitv als Ausgabe des Aktuators 332 auszugeben, die dem berechneten Wert des Luftmassedurchsatzes entspricht Witv. Der berechnete Wert des Abgasmassedurchsatzes Wegr wird dann einem anderen Berechnungsmodul S335 zugeführt, das ein mathematisches Modell des HD-AGR-Ventils 320 verwenden kann, um als Ausgabe eine Position Uegr des Aktuators 322 auszugeben, die dem berechneten Wert des Abgasmassedurchsatzes Wegr entspricht. Der berechnete Wert der Abgasmassedurchsatzes Wvgt wird auf noch ein anderes Berechnungsmodul S340 angewendet, das ein mathematisches Modell der Turbine 250 verwenden kann, um als Ausgabe eine Position Uvgt des Aktuators 290 auszugeben, der dem berechneten Wert des Abgasmassedurchsatzes entspricht Wvgt.
  • Der Einlassventilaktuator 332, der AGR-Ventilaktuator 322 und der VGT-Aktuator 290 werden gemäß der jeweiligen berechneten Position Uitv, Uegr und Uvgt betrieben, während der Elektromotor 605 des Luftkompressors 600 gemäß dem berechneten Wert Pe der elektrischen Leistung (Aktuator-Betätigungsmodul S345) betrieben wird.
  • Unter Bezugnahme auf 7 für die Ausführungsform von 3, worin der Luftkompressor 600 stromabwärts von dem Kompressor 240 des Turboladers 230 angeordnet ist, können die Eingabeparameter des Luftladesystems 195 einen Parameter Witv indikativ für den Luftmassedurchsatz durch das Einlassventil 330, einen Parameter Rt indikativ einer Leistungsrate der Turbine 250, einen Parameter CdAegr_HP indikativ für einen strömungswirksamen Bereich des HD-AGR-Ventils 320 und einen Parameter Pe indikativ für elektrische Leistung, die dem Elektromotor 605 des Luftkompressors 600 bereitgestellt wird, beinhalten.
  • In diesem Fall können die Ausgabeparameter des Luftladesystems 195 einen Parameter pi indikativ für einen Ansaugkrümmerdruck, einen Parameter βc indikativ für eine Kompressionsrate, die durch den Kompressor 240 des Turboladers 230 verursacht wird (nämlich das Verhältnis zwischen dem Luftdruck stromaufwärts und stromabwärts des Kompressors 240), einen Parameter Fi indikativ für einen Restgasanteil in dem Ansaugkrümmer 200 und einen Parameter βec indikativ für die Kompressionsrate, die durch den Luftkompressor 600 verursacht wird (nämlich das Verhältnis zwischen dem Luftdruck stromaufwärts und stromabwärts des Luftkompressors 600) anzeigen.
  • Das nichtlineare mathematische MIMO-Modell des Luftladesystems 195 kann durch die folgenden Gleichungen definiert werden: p ˙ i = d p i d t = R T i V i ( W i t v + p x ξ e g r _ H P R T x C d A e g r _ H P − η v 0 V d N e 120 R T i p i )
    Figure DE102018111962B4_0020
     β ˙ c = d β c d t = c ⋅ ( c p ⋅ ( W c + W ƒ ) ⋅ T x ⋅ R t − c p ⋅ W c ⋅ T c _ u s ⋅ R c )
    Figure DE102018111962B4_0021
     F ˙ i = d F i d t = R T i p i V i ( p x ξ e g r _ H P R T x C d A e g r _ H P ( F x − F i ) + W i t v ( F c − F i ) )
    Figure DE102018111962B4_0022
     β ˙ e c = d β e c d t = c ⋅ ( P e − c p ⋅ W c ⋅ T c _ d s ⋅ R e c )
    Figure DE102018111962B4_0023
    worin R die universelle Gaskonstante ist, Vi ist ein Ansaugkrümmerinnenvolumen, Ti ist eine Lufttemperatur innerhalb des Ansaugkrümmers 200, px ist ein Abgasdruck innerhalb des Abgaskrümmers 225, ξegr_HP ist ein HD-AGR-Korrekturfaktor, Tx ist eine Abgastemperatur innerhalb des Abgaskrümmers 225, ηv0 ist ein volumetrischer Wirkungsgrad des Motors, Vd ist eine Verschiebung des Motors, Ne ist eine Motordrehzahl, pi ist ein Ansaugkrümmerdruck, c ist eine Konstante in Bezug auf die Turboladerträgheit, cp ist eine spezifische Wärmekapazität eines Gases bei konstantem Druck, Wc ist ein Massedurchsatz der Luft-/Gas-Strömung durch den Kompressor 240 des Turboladers 230, Wƒ ist ein Massedurchsatz von in die Brennkammern 150 des Motors 110 eingespritztem Kraftstoff, Tc_us ist eine Temperatur der Luft-/Gas-Strömung in dem Ansaugkanal 205 stromaufwärts von dem Kompressor 240, Rc ist eine Leistungsrate des Kompressors 240, Fx ist ein Restgasanteil innerhalb des Abgaskrümmers 225, Fc ist ein Restgasanteil in dem Ansaugkanal 205 vor dem Kompressor 240 des Turboladers 230, Tc_ds ist die Lufttemperatur stromabwärts des Kompressors 240, beispielsweise zwischen dem Kompressor 240 und dem Luftkompressor 600, und Rec ist eine Leistungsrate des Luftkompressors 600.
  • Es sollte erkannt werden, dass Rec eine Funktion der folgenden Parameter sein kann: R e c = ƒ ( W c ( T c _ d s / ) T r e f p c _ d s , β e c )
    Figure DE102018111962B4_0024
    worin Tref die Referenztemperatur ist, mit der das Verdichterkennfeld korrigiert wird, ist der Luftdruck stromabwärts des Kompressors 240, beispielsweise zwischen dem Kompressor 240 des Luftkompressors 600, und pc_ds ist die Kompressionsrate, die durch den Luftkompressor 600 verursacht wird, nämlich das Verhältnis zwischen dem Luftdruck stromaufwärts und stromabwärts des Luftkompressors 600.
  • Ähnlich kann Rc eine Funktion der folgenden Parameter sein: R c = ƒ ( W c ( T c _ u s / ) R p c _ u s , β c )
    Figure DE102018111962B4_0025
    worin pc_us der Luftdruck stromauf des Kompressors 240 des Turboladers 230 ist, beispielsweise zwischen dem Kompressor 240 und dem Luftmassenstrom- und Temperatursensor 340.
  • Das nichtlineare mathematische MIMO-Modell des Luftladesystems 195 kann gleichermaßen durch die folgende Matrixgleichung definiert werden: [ p ˙ i β ˙ c F ˙ i β ˙ e c ] = [ R T i V i ( W i t v + p x ξ e g r H P R T x C d A e g r H P − η v 0 V d N e 120 R T i p i ) c ⋅ ( c p ⋅ ( W c + W ƒ ) ⋅ T x ⋅ R t − c p ⋅ W c ⋅ T c u s ⋅ R c ) R T i p i V i ( p x ξ e g r H P R T x C d A e g r H P ( F x − F i ) + W i t v ( F c − F i ) ) c ⋅ ( P e − c p ⋅ W c ⋅ T c d s ⋅ R e c ) ] = [ R T i V i ⋅ ( − η v 0 V d N e 120 R T i p i ) c ⋅ ( − c p ⋅ W c ⋅ T c u s ⋅ R c ) 0 − p e c u s ⋅ c ⋅ c p ⋅ W c ⋅ T c d s ⋅ R e c ] + [ γ R V i T i c 0 R T i V i ⋅ p x ξ e g r H P R T x 0 0 c ⋅ c p ⋅ ( W c + W ƒ ) ⋅ T x 0 0 R T i p i V i ⋅ ( F c − F i ) 0 R T i p i V i ⋅ p x ξ e g r H P R T x ⋅ ( F x − F i ) 0 0 0 0 c ] ⋅ [ W i t v R t C d A e g r H P P e ] .
    Figure DE102018111962B4_0026
  • Definieren eines Ausgabevektors y als: y = [ p i β x F i β e c ]
    Figure DE102018111962B4_0027
  • Eines Eingabevektors u als: u = [ W i t v R t C d A e g r H P P e ]
    Figure DE102018111962B4_0028
  • Eines ersten Vektors Cƒ (x) von Funktionen als: C f ( x ) = [ R T i V i ⋅ ( − η v 0 V d N e 120 R T i p i ) c ⋅ ( − c p ⋅ W c ⋅ T c u s ⋅ R c ) 0 − p e c _ u s ⋅ c ⋅ c p ⋅ W c ⋅ T c _ d s ⋅ R e c ]
    Figure DE102018111962B4_0029
  • Und einer Matrix Gg (x) von Funktionen als: G g ( x ) = [ γ R V i T i c 0 R T i V i ⋅ p x ξ e g r _ H P R T x 0 0 c ⋅ c p ⋅ ( W c + W ƒ ) ⋅ T x 0 0 R T i p i V i ⋅ ( F c − F i ) 0 R T i p i V i ⋅ p x ξ e g r _ H P R T x ⋅ ( F x − F i ) 0 0 0 0 c ]
    Figure DE102018111962B4_0030
  • Die obige Matrixgleichung kann wie folgt umgeschrieben werden: y ˙ = G g ( x ) ⋅ u + C f ( x )
    Figure DE102018111962B4_0031
    worin x generisch einen Vektor von Zustandsvariablen des Luftladesystems 195 bezeichnet. Folglich ist es möglich, einen Vektor v von virtuellen Eingaben zu definieren: v = [ v 1 v 2 v 3 v 4 ]
    Figure DE102018111962B4_0032
    und diesen virtuellen Eingabevektor v zu verwenden, um einen Regelungsalgorithmus für die Feedback-Linearisierung u(x, v) gemäß folgender Matrixgleichung zu entwickeln: u ( x , v ) = G g ( x ) − 1 ⋅ ( v − C f ( x ) )
    Figure DE102018111962B4_0033
    sodass: y ˙ = v
    Figure DE102018111962B4_0034
  • Das nichtlineare MIMO-System wurde in ein äquivalentes lineares System umgewandelt, in dem jede der virtuellen Eingaben v1, v2, v3 und v4 sich nur auf einen der Ausgabeparameter ṗl, β̇c, Ḟl und β̇̇̇̇ec bezieht und umgekehrt, und wobei die Beziehung zwischen jeder der virtuellen Eingaben und dem jeweiligen Ausgabeparameter eine lineare Beziehung ist.
  • Unter Ausnutzung dieser Umwandlung kann die ECU 450 durch den Prozessor 452 so konfiguriert sein, den Einlassventilaktuator 332, den AGR-Ventilaktuator 322, den VGT-Aktuator 290 und den Elektromotor 605 des Luftkompressors 600 während des Betriebs des Verbrennungsmotors 110 durch den in 7 dargestellten linearen Regelvorgang zu steuern. Dies stellt eine Implementierung der Regelstrategie bereit, wenn die oben identifizierten Aktuatoren involviert sind, wenn der Luftkompressor 600 in dem Ansaugkanal stromabwärts von dem Kompressor 240 des Turboladers mit variabler Geometrie 230 angeordnet ist.
  • Dieser Regelvorgang sorgt dafür, dass die ECU 450 durch den Prozessor 452 Daten über den Wert der Ausgabeparameter des Luftladesystems 195 (Modul S400) überwacht und empfängt, nämlich die Kompressionsrate β̇c, den Ansaugkrümmerdruck pi, den Restgasanteil Fi in dem Ansaugkrümmer 200 und die Kompressionsrate βec zusammen mit dem Wert der anderen beobachtbaren Zustandsvariablen des Systems und der Konstanten, die in dem obigen nichtlinearen mathematischen MIMO-Modell enthalten sind, nämlich das Ansaugkrümmerinnenvolumen Vi, die Lufttemperatur Ti innerhalb des Ansaugkrümmers 200, den Abgasdruck px in dem Abgaskrümmer der HD-AGR-Korrekturkoeffizient ξegr_HP, die Abgastemperatur Tx innerhalb des Abgaskrümmers 225 der volumetrische Wirkungsgrad ηv0 des Motors, die Verschiebung Vd des Motors die Motordrehzahl Ne, die Konstante c, die spezifische Wärmekapazität cp eines Gases bei konstantem Druck, den Massedurchsatz Wc der Luft-/ Gas-Strömung durch den Kompressor 240 des Turboladers 230, den Massendurchsatz Wƒ des in die Brennkammern 150 des Motors 110 eingespritzten Kraftstoffs, die Temperatur Tc_us der Luft-/ Gas-Strömung in dem Ansaugkanal 205 stromaufwärts des Kompressors 240, die Kompressorleistungsrate Rc, den Restgasanteil Fx innerhalb des Abgaskrümmers 225, den Restgasanteil Fc, die Lufttemperatur Tc_ds stromabwärts des Kompressors 240 und die Leistungsrate Rec des Luftkompressors 600.
  • In dieser Hinsicht kann der Wert der Kompressionsrate βc als das Verhältnis zwischen dem Druck in dem Kanal stromaufwärts der Drossel 331 und dem stromaufwärtigen Kompressordruck pc_us bestimmt werden . Der Wert des Ansaugkrümmerdrucks pi kann durch den Krümmerdruck- und Temperatursensor 350 gemessen werden, der in dem Ansaugkrümmer 200 angeordnet ist. Der Wert des Ansaugkrümmerinnenvolumens Vi ist eine Konstante, die von der Geometrie des Luftladesystems abhängt. Der Wert des Restgasanteils Fi kann als eine Funktion des Werts einer Sauerstoffkonzentration O2 innerhalb des Ansaugkrümmers 200 gemäß der Gleichung Fi = 1 - O2 berechnet werden. Der Wert der Sauerstoffkonzentration O2 kann durch einen dedizierten Sensor gemessen werden, der in dem Ansaugkrümmer 200 angeordnet ist, oder kann auf der Grundlage anderer messbarer Betriebsparameter des Verbrennungsmotors 110 geschätzt werden. Der Wert der Komprimierungsrate βec kann als das Verhältnis zwischen pitv_us und pc_ds bestimmt werden.
  • Der Wert der Ansaugkrümmer-Lufttemperatur kann (stromabwärts des Ladeluftkühlers 260) durch den Krümmerdruck- und Temperatursensor 350 gemessen werden, der in dem Ansaugkrümmer 200 angeordnet ist. Der Wert des Abgaskrümmerdrucks px kann durch einen Drucksensor gemessen werden, der in dem Abgaskrümmer 225 oder in der Abgasleitung 275 stromaufwärts der Turbine 250 angeordnet sein kann. Alternativ kann dieser Druckwert auf der Grundlage anderer messbarer Betriebsparameter des Verbrennungsmotors 110 geschätzt werden, beispielsweise auf der Grundlage der Messungen, die von den Abgasdruck- und Temperatursensoren 430 durchgeführt werden. Der Wert des HD-AGR-Korrekturkoeffizienten ξegr_HP ist eine nichtlineare Funktion des Druckverhältnisses über das HD-AGR-Ventil. Der Wert der Abgaskrümmergastemperatur Tx kann durch einen Temperatursensor gemessen werden, der in dem Abgaskrümmer 225 oder in der Abgasleitung 275 stromaufwärts der Turbine 250 angeordnet sein kann. Alternativ kann dieser Temperaturwert auf der Grundlage anderer messbarer Betriebsparameter des Verbrennungsmotors 110 geschätzt werden, beispielsweise auf der Grundlage der Messungen, die von den Abgasdruck- und Temperatursensoren 430 durchgeführt werden. Der Wert des volumetrischen Wirkungsgrades ηv0 der Motor ist eine Konstante, die von der Geometrie des Motors abhängt. Der Wert der Verschiebung Vd des Motors ist eine Konstante, die von der Geometrie des Motors abhängt. Der Wert der Motordrehzahl Ne kann durch den Kurbelwellenpositionssensor 420 gemessen werden. Der Wert von c ist eine Konstante. Der Wert der spezifischen Wärmekapazität ist eine Konstante. Der Wert des Massedurchsatzes Wc der Luft-/Gas-Strömung durch den Kompressor 240 des Turboladers 230 kann ausgehend von dem gemessenen Luftmassedurchsatz plus einer Abschätzung der ND-AGR-Strömung bestimmt werden. Der Wert des Massedurchsatzes Wƒ des in die Brennkammern 150 des Motors 110 eingespritzten Kraftstoffs kann durch die Regelstrategien bereitgestellt werden, die die Kraftstoffeinspritzdüsen 160 betreiben. Der Wert der Temperatur Tc_us der Luft-/Gas-Strömung in dem Ansaugkanal 205 stromaufwärts des Kompressors 240 kann auf der Grundlage anderer messbarer Betriebsparameter in dem Ansaugkanal 205 und in der ND-Leitung 500 bestimmt werden. Der Wert der Kompressorleistungsrate Rc kann als eine Funktion des Massedurchsatzes Wc der Luft-/Gas-Strömung durch den Kompressor 240, der Kompressionsrate β̇c, des Drucks pc_us, der Temperatur Tc_us und der universellen Gaskonstante R bestimmt werden. Der Wert des Restgasanteils Fx an dem Abgaskrümmer 225 kann durch einen Lambdasensor gemessen werden, der sich in der Abgasleitung 275 stromaufwärts der Nachbehandlungsvorrichtungen 280 befindet. Der Wert des Restgasanteils Fc kann als eine Funktion des Werts einer Sauerstoffkonzentration O2c an dem Ansaugkanal 205 stromaufwärts von dem Kompressor 240, bestimmt werden gemäß der Gleichung Fc = 1 - O2c. Die Sauerstoffkonzentration des Kompressors O2c kann auf der Grundlage anderer messbarer Betriebsparameter in dem Ansaugkanal 205 geschätzt werden. Der Wert des Drucks pc_us der Luft-/Gas-Strömung in dem Ansaugkanal 205 stromaufwärts des Kompressors 240 kann auf der Grundlage anderer messbarer Betriebsparameter in dem Ansaugkanal 205 geschätzt werden. Die Lufttemperatur Tc_ds stromabwärts des Kompressors 240 kann mit einem dedizierten Sensor gemessen oder geschätzt werden. Die Leistungsrate Rec kann mit der oben genannten Formel berechnet werden, wobei der Luftdruck stromabwärts des Kompressors 240 mit einem Drucksensor gemessen werden kann.
  • Die überwachten Werte der Ausgabeparameter βc, pi, Fi und βec werden zurückgemeldet und zur Berechnung eines Fehlers (d. h. einer Differenz) e1, e2, e3 und e4 zwischen jedem von ihnen und einem entsprechenden Sollwert pi_tar, Fi_tar, βec_tar und βec_tar davon verwendet: e 1 = p i _ tar − p i
    Figure DE102018111962B4_0035
     e 2 = β c _ tar − β c
    Figure DE102018111962B4_0036
     e 3 = F i _ tar − F i
    Figure DE102018111962B4_0037
     e 4 = β ec _ tar − β ec
    Figure DE102018111962B4_0038
  • Die Sollwerte pi_ tar, βec_tar, βec_tar und Fi_tar für die Ausgabeparameter können durch die ECU 450 über den Prozessor 452 auf der Grundlage anderer herkömmlicher Strategien, beispielsweise auf der Grundlage des Motorbetriebspunkts, bestimmt werden.
  • Der erste Fehler e1 wird dann als Eingabe an einen ersten Linearregler mit Einzeleingabe und Einzelausgabe (SISO-Linearregler) S405 angelegt, der als Ausgabe einen entsprechenden Wert für die erste virtuelle Eingabe liefert v1. Der zweite Fehler e2 wird als Eingabe an einen zweiten SISO-Linearregler S410 angelegt, der als Ausgabe einen entsprechenden Wert für die zweite virtuelle Eingabe liefert v2. Der dritte Fehler e3 wird als Eingabe an einen dritten SISO-Linearregler S415 angelegt, der als Ausgabe einen entsprechenden Wert für die dritte virtuelle Eingabe liefert v3. Der vierte Fehler e4 wird als Eingabe an einen vierten SISO-Linearregler S420 angelegt, der als Ausgabe einen entsprechenden Wert für die vierte virtuelle Eingabe liefert v4.
  • Die vier Linearregler S405, S410, S415 und S420 können zum Beispiel Proportional-Integral-Regler (PI-Regler) oder Proportional-Integral-Differential-Regler (PID-Regler) sein und sind über das oben erläuterte äquivalente lineare System abgestimmt, um die jeweiligen Fehler e1, e2, e3 und e4 zu minimieren.
  • Die Werte der virtuellen Eingaben v1, v2, v3 und v4 werden dann einem nichtlinearen Berechnungsmodul S425 zugeführt, wo sie verwendet werden, um entsprechende Werte der Eingabeparameter Witv, Rt, CdAegr_HP und Pe des Luftladesystems 195 zu berechnen. Insbesondere kann das Berechnungsmodul S420 die Werte dieser Eingabeparameter mit dem zuvor erläuterten Regelungsalgorithmus für die Feedback-Linearisierung berechnen: u = [ W i t v R t C d A e g r _ H P P e ] = G g ( x ) − 1 ⋅ ( v − C f ( x ) )
    Figure DE102018111962B4_0039
  • Der berechnete Wert des Luftmassedurchsatzes Witv wird dann einem Berechnungsmodul S430 zugeführt, das ein mathematisches Modell des Einlassventils 330 verwenden kann, um eine Position Uitv als Ausgabe des Aktuators 332 auszugeben, die dem berechneten Wert des Luftmassedurchsatzes entspricht Witv. Der berechnete Wert der Leistungsrate Rt wird auf ein anderes Berechnungsmodul S435 angewendet, das ein mathematisches Modell der Turbine 250 verwenden kann, um als Ausgabe eine Position Uvgt des Aktuators 290 auszugeben, der dem berechneten Wert der Leistungsrate entspricht. Der berechnete Wert des strömungswirksamen Bereichs CdAegr_HP des HD-AGR-Ventils 320 wird dann noch einem anderen Berechnungsmodul S440 zugeführt, das ein mathematisches Modell des HD-AGR-Ventils 320 verwenden kann, um eine Position Uegr des Aktuators 322 auszugeben, die dem berechneten Wert des strömungswirksamen Bereichs entspricht.
  • Der Einlassventilaktuator 332, der AGR-Ventilaktuator 322 und der VGT-Aktuator 290 werden gemäß der jeweiligen berechneten Position Uitv, Uegr und Uvgt betrieben, während der Elektromotor 605 des Luftkompressors 600 gemäß dem berechneten Wert Pe der elektrischen Leistung (Aktuator-Betätigungsmodul S445) betrieben wird.
  • Sollte das AGR-System sowohl die HD-AGR-Leitungen 300 und die ND-AGR-Leitung 500 umfassen, beispielsweise wie in den 4 und 5 gezeigt umfassen die Aktuatoren des Luftladesystems 195 den Einlassventilaktuator 332, den HD-AGR-Ventilaktuator 322, den VGT-Aktuator 290, den Elektromotor 605 des Luftkompressors 600 und ebenfalls den ND-AGR-Ventilaktuator 522.
  • Unter Bezugnahme auf 8 für die Ausführungsform von 4, worin der Luftkompressor 600 stromaufwärts von dem Kompressor 240 des Turboladers 230 angeordnet ist, können die Eingabeparameter des Luftladesystems 195 einen Parameter Witv indikativ für den Luftmassedurchsatz durch das Einlassventil 330, einen Parameter CdAegr_HP indikativ für einen strömungswirksamen Bereich des HD-AGR-Ventils 320, einen Parameter Rt indikativ für eine Leistungsrate der Turbine, einen Parameter CcLAegr_LP indikativ für einen strömungswirksamen Bereich des ND-AGR-Ventils 520 und einen Parameter Pe indikativ für elektrische Leistung, die dem Elektromotor 605 bereitgestellt wird, beinhalten.
  • Die Ausgabeparameter des Luftladesystems 195 können einen Parameter pi indikativ für einen Ansaugkrümmerdruck, einen Parameter Fi indikativ indikativ für einen Restgasanteil in dem Ansaugkrümmer 200, einen Parameter βc indikativ für eine Kompressionsrate, die durch den Kompressor 240 des Turboladers 230 verursacht wird, einen Parameter Fc indikativ für einen Restgasanteil in dem Ansaugkanal 205 stromaufwärts des Kompressors 240 des Turboladers 230, wie zwischen dem Führungspunkt der ND-AGR-Leitung 500 und dem Kompressor 240, und einen Parameter βec indikativ für die Kompressionsrate, die durch den Lufzkompressor 600 verursacht wird (nämlich das Verhältnis zwischen dem Luftdruck stromaufwärts und stromabwärts des Luftkompressors 600), beinhalten.
  • Das nichtlineare mathematische MIMO-Modell des Luftladesystems 195 kann durch die folgenden Gleichungen definiert werden: p ˙ i = d p i d t = R T i V i ( W i t v + p x ξ e g r _ H P R T x C d A e g r _ H P − η v 0 V d N e 120 R T i p i )
    Figure DE102018111962B4_0040
     β ˙ c = d β c d t = c ⋅ ( c p ⋅ ( W c + W ƒ ) ⋅ T x ⋅ R t − c p ⋅ W c ⋅ T c _ u s ⋅ R c )
    Figure DE102018111962B4_0041
     F ˙ i = d F i d t = R T i p i V i ( p x ξ e g r _ H P R T x C d A e g r _ H P ( F x − F i ) + W i t v ( F c − F i ) )
    Figure DE102018111962B4_0042
     F ˙ c = d F c d t = R T c _ u s p c _ u s V c _ u s ( p e x h ξ e g r _ L P R T e g r _ L P C d A e g r _ L P ( F x − F i ) + W a F c )
    Figure DE102018111962B4_0043
     β ˙ e c = d β e c d t = c ⋅ ( P e − c p ⋅ W c ⋅ T e c _ u s ⋅ R e c )
    Figure DE102018111962B4_0044
    worin R die universelle Gaskonstante ist, Vi ist ein Ansaugkrümmerinnenvolumen, Ti ist eine Lufttemperatur innerhalb des Ansaugkrümmers 200, px ist ein Abgasdruck innerhalb des Abgaskrümmers 225, ξegr_HP ist ein HD-AGR-Korrekturfaktor, Tx ist eine Abgastemperatur innerhalb des Abgaskrümmers 225, ηv0 ist ein volumetrischer Wirkungsgrad des Motors, Vd ist eine Verschiebung des Motors, Ne ist eine Motordrehzahl, c ist eine Konstante in Bezug auf die Turboladerträgheit, cp ist eine spezifische Wärmekapazität eines Gases bei konstantem Druck, Wc ist ein Massedurchsatz der Luft-/Gas-Strömung durch den Kompressor 240 des Turboladers 230, Wƒ ist ein Massedurchsatz von in die Brennkammern 150 des Motors 110 eingespritztem Kraftstoff, Tc_us ist eine Temperatur der Luft-/Gas-Strömung in dem Ansaugkanal 205 stromaufwärts von dem Kompressor 240, Rc ist eine Kompressorleistungsrate, Fx ist ein Restgasanteil innerhalb des Abgaskrümmers 225, pc_us ist ein Druck der Luft-/Gas-Strömung in dem Ansaugkanal 205 vor dem Kompressor 240, Vc_us ist ein Volumen des Einlasskanals 205 stromaufwärts des Kompressors 240, ξegr_LP ist ein ND-AGR-Korrekturfaktor, pexh ist ein Druck des Abgases in der Abgasleitung 275 stromabwärts der Nachbehandlungsvorrichtungen 280, Tegr_LP ist eine Temperatur des Abgases in der ND-AGR-Leitung 500 und Wa ist ein Luftmassedurchsatz in dem Ansaugkanal 205, Tec_us ist die Lufttemperatur stromaufwärts des Luftkompressors 600, wie zischen dem Kompressor 600 und dem Luftmassenstrom- und Temperatursensor 340 und Rec ist eine Leistungsrate des Luftkompressors 600. Es sollte erkannt werden, dass Rec eine Funktion der folgenden Parameter sein kann: R e c = ƒ ( W c ( T e c _ u s / ) T r e f p e c _ u s , β e c )
    Figure DE102018111962B4_0045
    worin Tref die Referenztemperatur ist, die zur Korrektur der Verdichterkennfelder verwendet wird
    , pec_us ist der Luftdruck stromaufwärts von dem Luftkompressor 600, beispielsweise zwischen dem Luftkompressor 600 dem Luftmassenstrom- und Temperatursensor 340, und ist die Kompressionsrate, die durch den Luftkompressor 600 verursacht wird, nämlich das Verhältnis zwischen dem Luftdruck stromaufwärts und stromabwärts des Luftkompressors 600.
  • Ähnlich kann Rc eine Funktion der folgenden Parameter sein: R c = ƒ ( W c ( T c _ u s / ) R p c _ u s , β c )
    Figure DE102018111962B4_0046
    worin pc_us der Luftdruck stromauf des Kompressors 240 des Turboladers 230 ist, beispielsweise zwischen dem Kompressor 240 und dem Luftmassenstrom- und Temperatursensor 340.
  • Das nichtlineare mathematische MIMO-Modell des Luftladesystems 195 kann gleichermaßen durch die folgende Matrixgleichung definiert werden: [ p ˙ i β ˙ c F ˙ i F ˙ c β ˙ e c ] = [ R T i V i ( W i t v + p x ξ e g r _ H P R T x C d A e g r _ H P − η v 0 V d N e 120 R T i p i ) c ⋅ ( c p ⋅ ( W c + W ƒ ) ⋅ T x ⋅ R t − c p ⋅ W c ⋅ T c _ u s ⋅ R c ) R T i p i V i ( p x ξ e g r _ H P R T x C d A e g r _ H P ( F x − F i ) + W i t v ( F c − F i ) ) R T c _ u s p c _ u s V c _ u s ( p e x h ξ e g r _ L P R T e g r _ L P C d A e g r L P ( F x − F c ) − W a F c ) c ⋅ ( P e − c p ⋅ W c ⋅ T e c _ u s ⋅ R e c ) ] = [ R T i V i ⋅ ( − η v 0 V d N e 120 R T i p i ) c ⋅ ( − c p ⋅ W c ⋅ T c u s ⋅ R c ) 0 R T c _ u s p c _ u s V c _ u s ⋅ ( − W a F c ) − p e c u s ⋅ c ⋅ c p ⋅ W c ⋅ T e c _ u s ⋅ R e c ] + [ R T i V i R T i V i ⋅ p x ξ e g r _ H P R T x 0 0 0 0 0 0 c ⋅ c p ⋅ ( W c + W ƒ ) ⋅ T x 0 R T i p i V i ⋅ ( F c − F i ) R T i p i V i ⋅ p x ξ e g r _ H P R T x ⋅ ( F x − F i ) 0 0 0 0 0 R T c _ u s p c _ u s V c _ u s ⋅ p e x h ξ e g r _ L P R T e g r _ L P ⋅ ( F x − F c ) 0 0 0 0 0 0 c ] ⋅ [ W i t v C d A e g r _ H P C d A e g r _ L P R t P e ] .
    Figure DE102018111962B4_0047
  • Definieren eines Ausgabevektors y als: y = [ p i β c F i F c β e c ]
    Figure DE102018111962B4_0048
  • Eines Eingabevektors u als: u = [ W i t v C d A e g r _ H P C d A e g r _ L P R t P e ]
    Figure DE102018111962B4_0049
  • Eines ersten Vektors ƒ(x) von Funktionen als: ƒ ( x ) = [ R T i V i ⋅ ( − η v 0 V d N e 120 R T i p i ) c ⋅ ( − c p ⋅ W c ⋅ T c u s ⋅ R c ) 0 R T c _ u s p c _ u s V c _ u s ⋅ ( − W a F c ) − p e c _ u s ⋅ c ⋅ c p ⋅ W c ⋅ T e c _ u s ⋅ R e c ]
    Figure DE102018111962B4_0050
  • Und einer Matrix Gg (x) von Funktionen als: G g ( x ) = [ R T i V i R T i V i ⋅ p x ξ e g r _ H P R T x 0 0 0 0 0 0 c ⋅ c p ⋅ ( W c + W ƒ ) ⋅ T x 0 R T i p i V i ⋅ ( F c − F i ) R T i p i V i ⋅ p x ξ e g r _ H P R T x ⋅ ( F x − F i ) 0 0 0 0 0 R T c _ u s p c _ u s V c _ u s ⋅ p e x h ξ e g r _ L P R T e g r _ L P ⋅ ( F x − F c ) 0 0 0 0 0 0 c ]
    Figure DE102018111962B4_0051
  • Die obige Matrixgleichung kann auch in diesem Fall in der allgemeinen Form geschrieben werden: y ˙ = ƒ ( x ) + G g ( x ) ⋅ x
    Figure DE102018111962B4_0052
    worin x generisch einen Vektor von Zustandsvariablen des Luftladesystems 195 bezeichnet.
  • Folglich ist es möglich, einen Vektor v von virtuellen Eingaben zu definieren: v = [ v 1 v 2 v 3 v 4 v 5 ]
    Figure DE102018111962B4_0053
    und diesen virtuellen Eingabevektor v zu verwenden, um einen Regelungsalgorithmus für die Feedback-Linearisierung u(x, v) gemäß folgender Matrixgleichung zu entwickeln: u ( x , v ) = G g ( x ) − 1 ⋅ ( v − ƒ ( x ) )
    Figure DE102018111962B4_0054
    sodass: y ˙ = v
    Figure DE102018111962B4_0055
  • Daher wurde auch in diesem Falle das nichtlineare mathematische MIMO-System in ein äquivalentes lineares System umgewandelt, in dem jede der virtuellen Eingaben v1, v2, v3, v4 und v5 sich nur auf einen der Ausgabeparameter ṗl, ,β̇c, Ḟl Ḟc und β̇ec bezieht und umgekehrt, und wobei die Beziehung zwischen jeder der virtuellen Eingaben und dem jeweiligen Ausgabeparameter eine lineare Beziehung ist.
  • Unter Ausnutzung dieser Umwandlung kann die ECU 450 durch den Prozessor 452 so konfiguriert sein, den Einlassventilaktuator 332, den HD-AGR-Ventilaktuator 322, den VGT-Aktuator 290 und den Niederdruck-AGR-Ventilaktuator 522 während des Betriebs des Verbrennungsmotors 110 durch den in 8 dargestellten linearen Regelvorgang zu steuern. Dies stellt eine koordinierte Steuerung der Aktuatoren des Luftladesystems bereit, wenn das Luftladesystem zwei AGR-Leitungen und somit zwei AGR-Ventile umfasst, die einzeln in diesen Leitungen angeordnet sind.
  • Dieser Regelvorgang sorgt dafür, dass die ECU 450 durch den Prozessor 452 Daten über den Wert der Ausgabeparameter des Luftladesystems 195 (Modul S500) überwacht und empfängt, nämlich die Kompressionsrate β̇c, den Ansaugkrümmerdruck pi, den Restgasanteil Fi in dem Ansaugkrümmer 200 und den Restgasanteil Fc und die Kompressionsrate βec zusammen mit dem Wert der anderen beobachtbaren Zustandsvariablen des Systems und der Konstanten, die in dem oben genannten nichtlinearen mathematischen MIMO-Modell involviert sind, nämlich das Ansaugkrümmerinnenvolumen Vi, die Lufttemperatur Ti innerhalb des Ansaugkrümmers 200, der Abgasdruck px in dem Abgaskrümmer, den HD-AGR-Korrekturkoeffizient ξegr_HP, die Abgastemperatur Tx innerhalb des Abgaskrümmers 225, den volumetrischen Wirkungsgrad ηv0 des Motors, die Verschiebung Vd des Motors, die Motordrehzahl Ne, die Konstante c, die spezifische Wärmekapazität cp eines Gases bei konstantem Druck, den Massendurchsatz Wc der Luft-/Gas-Strömung durch den Kompressor 240 des Turboladers 230, den Massedurchsatz Wƒ des in die Brennkammern 150 des Motors 110 eingespritzten Kraftstoffs, die Temperatur Tc_us der Luft-/Gas-Strömung in dem Ansaugkanal 205 stromaufwärts des Kompressors 240 die Kompressorleistungsrate Rc, den Restgasanteil Fx innerhalb des Abgaskrümmers 225, den Druck pc_us der Luft-/Gas-Strömung in dem Ansaugkanal 205 stromaufwärts des Kompressors 240, das Volumen Vc_us des Ansaugkanals 205 stromaufwärts des Kompressors 240, den ND-AGR-Korrekturkoeffizienten ξegr_LP, den Druck pexh des Abgases in der Abgasleitung 275 stromabwärts der Nachbehandlungsvorrichtungen 280, die Temperatur Tegr_LP des Abgases in der ND-AGR-Leitung 500, den Luftmassedurchsatz Wa in dem Ansaugkanal 205, die Lufttemperatur Tec_us stromaufwärts des Luftkompressors 600, beispielsweise zwischen dem Kompressor 600 und dem Luftmassenstrom- und Temperatursensor 340, und der Leistungsrate Rec des Luftkompressors 260.
  • In dieser Hinsicht kann der Wert der Kompressionsrate βc als das Verhältnis zwischen dem Druck in dem Kanal stromaufwärts der Drossel 331 und dem stromaufwärtigen Kompressordruck pcus bestimmt werden . Der Wert des Ansaugkrümmerdrucks pi kann durch den Krümmerdruck- und Temperatursensor 350 gemessen werden, der in dem Ansaugkrümmer 200 angeordnet ist. Der Wert des Ansaugkrümmerinnenvolumens Vi ist eine Konstante, die von der Geometrie des Luftladesystems abhängt. Der Wert des Restgasanteils Fi kann als eine Funktion des Werts einer Sauerstoffkonzentration O2 innerhalb des Ansaugkrümmers 200 gemäß der Gleichung Fi = 1 - O2 berechnet werden. Der Wert der Sauerstoffkonzentration O2 kann durch einen dedizierten Sensor gemessen werden, der in dem Ansaugkrümmer 200 angeordnet ist, oder kann auf der Grundlage anderer messbarer Betriebsparameter des Verbrennungsmotors 110 geschätzt werden. Der Wert des Restgasanteils Fc kann als eine Funktion des Werts einer Sauerstoffkonzentration O2c an dem Ansaugkanal 205 stromaufwärts von dem Kompressor 240, bestimmt werden gemäß der Gleichung Fc = 1 - O2c. Die Sauerstoffkonzentration des Kompressors O2c kann auf der Grundlage anderer messbarer Betriebsparameter in dem Ansaugkanal 205 und in der ND-Leitung 500 geschätzt werden. Der Wert der Ansaugkrümmer-Lufttemperatur Ti kann (stromabwärts des Ladeluftkühlers 260) durch den Krümmerdruck- und Temperatursensor 350 gemessen werden, der in dem Ansaugkrümmer 200 angeordnet ist. Der Wert des Abgaskrümmerdrucks px kann durch einen Drucksensor gemessen werden, der in dem Abgaskrümmer 225 oder in der Abgasleitung 275 stromaufwärts der Turbine 250 angeordnet sein kann. Alternativ kann dieser Druckwert auf der Grundlage anderer messbarer Betriebsparameter des Verbrennungsmotors 110 geschätzt werden, beispielsweise auf der Grundlage der Messungen, die von den Abgasdruck- und Temperatursensoren 430 durchgeführt werden. Der Wert des HD-AGR-Korrekturkoeffizienten ξegrHP ist eine nichtlineare Funktion des Druckverhältnisses über das HD-AGR-Ventil. Der Wert der Abgaskrümmergastemperatur Tx kann durch einen Temperatursensor gemessen werden, der in dem Abgaskrümmer 225 oder in der Abgasleitung 275 stromaufwärts der Turbine 250 angeordnet sein kann. Alternativ kann dieser Temperaturwert auf der Grundlage anderer messbarer Betriebsparameter des Verbrennungsmotors 110 geschätzt werden, beispielsweise auf der Grundlage der Messungen, die von den Abgasdruck- und Temperatursensoren 430 durchgeführt werden. Der Wert des volumetrischen Wirkungsgrades ηv0 der Motor ist eine Konstante, die von der Geometrie des Motors abhängt. Der Wert der Verschiebung Vd des Motors ist eine Konstante, die von der Geometrie des Motors abhängt. Der Wert der Motordrehzahl Ne kann durch den Kurbelwellenpositionssensor 420 gemessen werden. Der Wert von c ist eine Konstante. Der Wert der spezifischen Wärmekapazität cp ist eine Konstante. Der Wert des Massedurchsatzes Wc der Luft-/Gas-Strömung durch den Kompressor 240 des Turboladers 230 kann als die Summe des Luftmassedurchsatzes Wa und des Massedurchsatzes durch den ND-AGR bestimmt werden. Der Wert des Massedurchsatzes Wƒ des in die Brennkammern 150 des Motors 110 eingespritzten Kraftstoffs kann durch die Regelstrategien bereitgestellt werden, die die Kraftstoffeinspritzdüsen 160 betreiben. Der Wert der Temperatur Tcus der Luft-/Gas-Strömung in dem Ansaugkanal 205 stromaufwärts des Kompressors 240 kann auf der Grundlage anderer messbarer Betriebsparameter in dem Ansaugkanal 205 und in der ND-Leitung 500 bestimmt werden. Der Wert der Kompressorleistungsrate Rc kann als eine Funktion des Massedurchsatzes Wc der Luft-/Gas-Strömung durch den Kompressor 240, der Kompressionsrate βc des Drucks pcus , der Temperatur Tcus und der universellen Gaskonstante R bestimmt werden. Der Wert des Restgasanteils Fx an dem Abgaskrümmer 225 kann durch einen Lambdasensor gemessen werden, der sich in der Abgasleitung 275 stromaufwärts der Nachbehandlungsvorrichtungen 280 befindet. Der Wert des Drucks pcus der Luft-/Gas-Strömung in dem Ansaugkanal 205 stromaufwärts des Kompressors 240 kann auf der Grundlage anderer messbarer Betriebsparameter in dem Ansaugkanal 205 und der ND-Leitung 500 geschätzt werden. Der Wert des Volumens Vcus des Ansaugkanals des Kompressors 240 ist eine Konstante, die von der Geometrie des Luftladesystems abhängt. Der Wert des ND-AGR-Korrekturkoeffizienten ξegrLP ist eine nichtlineare Funktion des Druckverhältnisses über das ND-AGR-Ventil. Der Druck pexh des Abgases in der Abgasleitung 275 stromabwärts der Nachbehandlungsvorrichtungen 280 kann auf der Grundlage anderer messbarer Betriebsparameter in der Abgasleitung 275 bestimmt werden. Der Wert der Temperatur TegrLP des Abgases in der ND-AGR-Leitung 500 kann durch einen speziellen Sensor gemessen werden, der in dem Kanal stromaufwärts des ND-AGR-Ventils 521 angeordnet ist. Der Wert des Luftmassedurchsatzes in dem Ansaugkanal 205 kann durch den Sensor 340 berechnet werden. Die Lufttemperatur Tecus kann mit einem dedizierten Sensor gemessen oder geschätzt werden. Die Leistungsrate Rec kann mit der oben genannten Formel berechnet werden, wobei der Luftdruck pecds mit einem Drucksensor gemessen werden und β̇ec als das Verhältnis zwischen pitvus und pcds . bestimmt werden kann.
  • Die überwachten Werte der Ausgabeparameter βc, pi, Fi, Fc und βec werden zurückgemeldet und von dem Prozessor 452 zur Berechnung eines Fehlers (d. h. einer Differenz) e1, e2, e3, e4 und e5 und zwischen jedem von ihnen und einem entsprechenden Sollwert pi_tar Fi_tar, βc_tar, Fc_tar und βec_tar davon verwendet: e 1 = p i _ tar − p i
    Figure DE102018111962B4_0056
     e 2 = β c _ tar − β c
    Figure DE102018111962B4_0057
     e 3 = F i _ tar − F i
    Figure DE102018111962B4_0058
     e 4 = F c _ tar − F c
    Figure DE102018111962B4_0059
     e 5 = β ec _ tar − β ec
    Figure DE102018111962B4_0060
  • Die Sollwerte pi_tar, βc_tar, Fi_tar, βec_tar und Fc_tar für die Ausgabeparameter können über die ECU 450 durch den Prozessor 452 auf der Grundlage anderer herkömmlicher Strategien, beispielsweise auf der Grundlage des Motorbetriebspunkts, bestimmt werden.
  • Der erste Fehler e1 wird dann als Eingabe an einen ersten Linearregler mit Einzeleingabe und Einzelausgabe (SISO-Linearregler) S505 angelegt, der als Ausgabe einen entsprechenden Wert für die erste virtuelle Eingabe liefert v1. Der zweite Fehler e2 wird als Eingabe an einen zweiten SISO-Linearregler S510 angelegt, der als Ausgabe einen entsprechenden Wert für die zweite virtuelle Eingabe liefert v2. Der dritte Fehler e3 wird als Eingabe an einen dritten SISO-Linearregler S515 angelegt, der als Ausgabe einen entsprechenden Wert für die dritte virtuelle Eingabe liefert v3. Der vierte Fehler e4 wird als Eingabe an einen vierten SISO-Linearregler S520 angelegt, der als Ausgabe einen entsprechenden Wert für die vierte virtuelle Eingabe v4. liefert. Der fünfte Fehler e5 wird als eine Eingabe an einen fünften SISO-Linearregler S525 angelegt, der als Ausgabe einen entsprechenden Wert für die fünfte virtuelle Eingabe v5. liefert.
  • Die fünf Linearregler S505, S510, S515, S520 und S525 können zum Beispiel Proportional-Integral-Regler (PI-Regler) oder Proportional-Integral-Differential-Regler (PID-Regler) sein und sind über das oben erläuterte äquivalente lineare System abgestimmt, um die jeweiligen Fehler e1, e2, e3, e4 und e5 zu minimieren.
  • Die Werte der virtuellen Eingaben v1, v2, v3, v4 und v5 werden dann einem nichtlinearen Berechnungsmodul S530 zugeführt, wo sie verwendet werden, um entsprechende Werte der Eingabeparameter, Witv, CdAegr_HP, CdAegr_LP, Rt und Pe des Luftladesystems 195 zu berechnen. Insbesondere kann das Berechnungsmodul S530 dieser Eingabeparameter mit dem zuvor erläuterten Regelungsalgorithmus für die Feedback-Linearisierung berechnen: u = [ W i t v C d A e g r _ H P C d A e g r _ L P R t P e ] = G g ( x ) − 1 ⋅ ( v − ƒ ( x ) )
    Figure DE102018111962B4_0061
  • Der berechnete Wert des Luftmassedurchsatzes Witv wird dann einem Berechnungsmodul S535 zugeführt, das ein mathematisches Modell des Einlassventils 330 verwenden kann, um eine Position Uitv als Ausgabe des Aktuators 332 auszugeben, die dem berechneten Wert des Luftmassedurchsatzes entspricht Witv. Der berechnete Wert des strömungswirksamen Bereichs CdAegr_HP wird noch einem anderen Berechnungsmodul S540 zugeführt, das ein mathematisches Modell des HD-AGR-Ventils 320 verwenden kann, um eine Position Uegr_HP des Aktuators 322 auszugeben, die dem berechneten Wert des strömungswirksamen Bereichs CdAegr_HP entspricht. Der berechnete Wert des strömungswirksamen Bereichs CdAegr_LP wird dann wieder einem anderen Berechnungsmodul S545 zugeführt, das ein mathematisches Modell des ND-AGR-Ventils 520 verwenden kann, um eine Position Uegr_LP des Aktuators 522 auszugeben, die dem berechneten Wert des strömungswirksamen Bereichs CdAegr_LP entspricht. Der berechnete Wert der Turbinenleistungsrate Rt wird auf noch ein anderes Berechnungsmodul S550 der Turbine 250 angewendet, um als Ausgabe eine Position Uvgt des Aktuators 290 auszugeben, der dem berechneten Wert der Turbinenleistungsrate Rt entspricht.
  • Der Einlassventilaktuator 332, der HD-AGR-Ventilaktuator 322, der ND-AGR-Ventilaktuator 522 und der VGT-Aktuator 290 werden gemäß der jeweiligen berechneten Position Uitv, Uegr_HP, Uegr_LP und Uvgt betrieben, während der Elektromotor 605 des Luftkompressors 600 gemäß dem berechneten Wert Pe der elektrischen Leistung (Aktuator-Betätigungsmodul S555) betrieben wird.
  • Bezugnehmend auf 9, für die Ausführungsform 5, wenn der Luftkompressor 600 stromabwärts von dem Kompressor 240 des Turboladers 230 angeordnet ist, können die Eingabeparameter und die Ausgabeparameter des Luftladesystems 195 dieselben sein, die oben unter Bezugnahme auf die Ausführungsform von 4 beschrieben wurden. Jedoch kann das nichtlineare mathematische MIMO-Modell des Luftladesystems 195 durch die folgenden Gleichungen leicht geändert und definiert werden: p ˙ i = d p i d t = R T i V i ( W i t v + p x ξ e g r _ H P R T x C d A e g r _ H P − η v 0 V d N e 120 R T i p i )
    Figure DE102018111962B4_0062
     β ˙ c = d β c d t = c ⋅ ( c p ⋅ ( W c + W ƒ ) ⋅ T x ⋅ R t − c p ⋅ W c ⋅ T c _ u s ⋅ R c )
    Figure DE102018111962B4_0063
     F ˙ i = d F i d t = R T i p i V i ( p x ξ e g r _ H P R T x C d A e g r _ H P ( F x − F i ) + W i t v ( F c − F i ) )
    Figure DE102018111962B4_0064
     F ˙ c = d F c d t = R T c _ u s p c _ u s V c _ u s ( p e x h ξ e g r _ L P R T e g r _ L P C d A e g r _ L P ( F x − F c ) − W a F c )
    Figure DE102018111962B4_0065
     β ˙ e c = d β e c d t = c ⋅ ( P e − c p ⋅ W c ⋅ T c _ d s ⋅ R e c )
    Figure DE102018111962B4_0066
    worin R die universelle Gaskonstante ist, Vi ist ein Ansaugkrümmerinnenvolumen, Ti ist eine Lufttemperatur innerhalb des Ansaugkrümmers 200, px ist ein Abgasdruck innerhalb des Abgaskrümmers 225, ξegr_HP ist ein HD-AGR-Korrekturfaktor, Tx ist eine Abgastemperatur innerhalb des Abgaskrümmers 225, ηv0 ist ein volumetrischer Wirkungsgrad des Motors, Vd ist eine Verschiebung des Motors, Ne ist eine Motordrehzahl, c ist eine Konstante in Bezug auf die Turboladerträgheit, cp ist eine spezifische Wärmekapazität eines Gases bei konstantem Druck, Wc ist ein Massedurchsatz der Luft-/Gas-Strömung durch den Kompressor 240 des Turboladers 230, Wƒ ist ein Massedurchsatz von in die Brennkammern 150 des Motors 110 eingespritztem Kraftstoff, Tc_us ist eine Temperatur der Luft-/Gas-Strömung in dem Ansaugkanal 205 stromaufwärts von dem Kompressor 240, Rc ist eine Kompressorleistungsrate, Fx ist ein Restgasanteil innerhalb des Abgaskrümmers 225, pc_us ist ein Druck der Luft-/Gas-Strömung in dem Ansaugkanal 205 vor dem Kompressor 240, Vc_us ist ein Volumen des Einlasskanals 205 stromaufwärts des Kompressors 240, ξegr_LP ist ein ND-AGR-Korrekturfaktor, pexh ist ein Druck des Abgases in der Abgasleitung 275 stromabwärts der Nachbehandlungsvorrichtungen 280, Tegr_LP ist eine Temperatur des Abgases in der ND-AGR-Leitung 500 und Wa ist ein Luftmassedurchsatz in dem Ansaugkanal 205, Tc_ds ist die Lufttemperatur stromabwärts des Luftkompressors 600, wie zwischen dem Luftkompressor 600 und dem Ladeluftkühler 260 und Rec ist eine Leistungsrate des Luftkompressors 600.
  • Es sollte erkannt werden, dass Rec in diesem Fall eine Funktion der folgenden Parameter sein kann: R e c = ƒ ( W c ( T c _ d s / ) T r e f p c _ d s , β e c )
    Figure DE102018111962B4_0067
    worin Tref die Referenztemperatur ist, mit der das Verdichterkennfeld korrigiert wird, pc_ds ist der Luftdruck stromabwärts des Luftkompressors 600, beispielsweise zwischen dem Luftkompressor 600 und dem Ladeluftkühler 260, und ist die Kompressionsrate, die durch den Luftkompressor 600 verursacht wird, nämlich das Verhältnis zwischen dem Luftdruck stromaufwärts und stromabwärts des Luftkompressors 600.
  • Zusätzlich kann Rc eine Funktion der folgenden Parameter sein: R c = ƒ ( W c ( T c _ u s / ) R p c _ u s , β c )
    Figure DE102018111962B4_0068
    worin pc_us der Luftdruck stromauf des Kompressors 240 des Turboladers 230 ist, beispielsweise zwischen dem Kompressor 240 und dem Luftmassenstrom- und Temperatursensor 340.
  • Das nichtlineare mathematische MIMO-Modell des Luftladesystems 195 kann gleichermaßen durch die folgende Matrixgleichung definiert werden: [ p ˙ i β ˙ c F ˙ i F ˙ c β ˙ e c ] = [ R T i V i ( W i t v + p x ξ e g r _ H P R T x C d A e g r _ H P − η v 0 V d N e 120 R T i p i ) c ⋅ ( c p ⋅ ( W c + W ƒ ) ⋅ T x ⋅ R t − c p ⋅ W c ⋅ T c − u s ⋅ R c ) R T i p i V i ( p x ξ e g r _ H P R T x C d A e g r _ H P ( F x − F i ) + W i t v ( F c − F i ) ) R T c _ u s p c _ u s V c _ u s ( p e x h ξ e g r _ L P R T e g r _ L P C d A e g r L P ( F x − F c ) − W a F c ) c ⋅ ( P e − c p ⋅ W c ⋅ T c _ d s ⋅ R e c ) ] = [ R T i V i ⋅ ( − η v 0 V d N e 120 R T i p i ) c ⋅ ( − c p ⋅ W c ⋅ T c u s ⋅ R c ) 0 R T c _ u s p c _ u s V c _ u s ⋅ ( − W a F c ) − p e c _ u s ⋅ c ⋅ c p ⋅ W c ⋅ T e c _ u s ⋅ R e c ] + [ R T i V i R T i V i ⋅ p x ξ e g r _ H P R T x 0 0 0 0 0 0 c ⋅ c p ⋅ ( W c + W ƒ ) ⋅ T x 0 R T i p i V i ⋅ ( F c − F i ) R T i p i V i ⋅ p x ξ e g r _ H P R T x ⋅ ( F x − F i ) 0 0 0 0 0 R T c _ u s p c _ u s V c _ u s ⋅ p e x h ξ e g r _ L P R T e g r _ L P ⋅ ( F x − F c ) 0 0 0 0 0 0 c ] ⋅ [ W i t v C d A e g r _ H P C d A e g r _ L P R t P e ] .
    Figure DE102018111962B4_0069
  • Definieren eines Ausgabevektors y als: y = [ p i β c F i F c β e c ]
    Figure DE102018111962B4_0070
  • Eines Eingabevektors u als: u = [ W i t v C d A e g r _ H P C d A e g r _ L P R t P e ]
    Figure DE102018111962B4_0071
  • Eines ersten Vektors ƒ(x) von Funktionen als: ƒ ( x ) = [ R T i V i ⋅ ( − η v 0 V d N e 120 R T i p i ) c ⋅ ( − c p ⋅ W c ⋅ T c u s ⋅ R c ) 0 R T c _ u s p c _ u s V c _ u s ⋅ ( − W a F c ) − p e c _ u s ⋅ c ⋅ c p ⋅ W c ⋅ T c _ d s ⋅ R e c ]
    Figure DE102018111962B4_0072
  • Und einer Matrix Gg (x) von Funktionen als: G g ( x ) = [ R T i V i R T i V i ⋅ p x ξ e g r _ H P R T x 0 0 0 0 0 0 c ⋅ c p ⋅ ( W c + W ƒ ) ⋅ T x 0 R T i p i V i ⋅ ( F c − F i ) R T i p i V i ⋅ p x ξ e g r _ H P R T x ⋅ ( F x − F i ) 0 0 0 0 0 R T c _ u s p c _ u s V c _ u s ⋅ p e x h ξ e g r _ L P R T e g r _ L P ⋅ ( F x − F c ) 0 0 0 0 0 0 c ]
    Figure DE102018111962B4_0073
  • Die obige Matrixgleichung kann auch in diesem Fall in der allgemeinen Form geschrieben werden: y ˙ = ƒ ( x ) + G g ( x ) ⋅ u
    Figure DE102018111962B4_0074
    worin x generisch einen Vektor von Zustandsvariablen des Luftladesystems 195 bezeichnet. Folglich ist es möglich, einen Vektor v von virtuellen Eingaben zu definieren: v = [ v 1 v 2 v 3 v 4 v 5 ]
    Figure DE102018111962B4_0075
    und diesen virtuellen Eingabevektor v zu verwenden, um einen Regelungsalgorithmus für die Feedback-Linearisierung u(x, v) gemäß folgender Matrixgleichung zu entwickeln: u ( x , v ) = G g ( x ) − 1 ⋅ ( v − ƒ ( x ) )
    Figure DE102018111962B4_0076
    sodass: y ˙ = v
    Figure DE102018111962B4_0077
  • Daher wurde auch in diesem Falle das nichtlineare mathematische MIMO-System in ein äquivalentes lineares System umgewandelt, in dem jede der virtuellen Eingaben v1, v2, v3, v4 und v5 sich nur auf einen der Ausgabeparameter ṗl, β̇c, Ḟl, Ḟc und β̇ec bezieht und umgekehrt, und wobei die Beziehung zwischen jeder der virtuellen Eingaben und dem jeweiligen Ausgabeparameter eine lineare Beziehung ist.
  • Unter Ausnutzung dieser Umwandlung kann die ECU 450, in dem Prozessor 452, so konfiguriert sein, den Einlassventilaktuator 332, den HD-AGR-Ventilaktuator 322, den VGT-Aktuator 290 und den Niederdruck-AGR-Ventilaktuator 522 und den elektrischen Motor 605 während des Betriebs des Verbrennungsmotors 110 durch den in 9 dargestellten linearen Regelvorgang zu steuern. Dies stellt eine koordinierte Steuerung der Hauptaktuatoren des Luftladesystems bereit, wenn das Luftladesystem zwei AGR-Leitungen und somit zwei AGR-Ventile umfasst, die einzeln in diesen Leitungen angeordnet sind.
  • Dieser Regelvorgang sorgt dafür, dass die ECU 450 durch den Prozessor 452 Daten über den Wert der Ausgabeparameter des Luftladesystems 195 (Modul S600) überwacht und empfängt, nämlich die Kompressionsrate β̇c, den Ansaugkrümmerdruck pi, den Restgasanteil Fi in dem Ansaugkrümmer 200 und den Restgasanteil Fc, zusammen mit dem Wert der anderen beobachtbaren Zustandsvariablen des Systems und der Konstanten, die in dem oben genannten nichtlinearen mathematischen MIMO-Modell involviert sind, nämlich das Ansaugkrümmerinnenvolumen Vi, die Lufttemperatur Ti innerhalb des Ansaugkrümmers 200, der Abgasdruck px in dem Abgaskrümmer, den HD-AGR-Korrekturkoeffizient ξegr_HP, die Abgastemperatur Tx innerhalb des Abgaskrümmers 225, den volumetrischen Wirkungsgrad ηv0 des Motors, die Verschiebung Vd des Motors, die Motordrehzahl Ne, die Konstante c, die spezifische Wärmekapazität cp eines Gases bei konstantem Druck, den Massedurchsatz Wc der Luft-/Gas-Strömung durch den Kompressor 240 des Turboladers 230, den Massedurchsatz Wƒ des in die Brennkammern 150 des Motors 110 eingespritzten Kraftstoffs, die Temperatur Tc_us der Luft-/Gas-Strömung in dem Ansaugkanal 205 stromaufwärts des Kompressors 240, die Kompressorleistungsrate Rc, den Restgasanteil Fx innerhalb des Abgaskrümmers 225, den Druck pc_us der Luft-/Gas-Strömung in dem Ansaugkanal 205 stromaufwärts des Kompressors 240, das Volumen Vc_us des Ansaugkanals 205 stromaufwärts des Kompressors 240, den ND-AGR-Korrekturkoeffizienten ξegr_LP, den Druck pexh des Abgases in der Abgasleitung 275 stromabwärts der Nachbehandlungsvorrichtungen 280, die Temperatur Tegr_LP des Abgases in der ND-AGR-Leitung 500, den Luftmassedurchsatz Wa in dem Ansaugkanal 205, die Lufttemperatur Tc_ds und die Leistungsrate Rec des Luftkompressors 260.
  • In dieser Hinsicht kann der Wert der Kompressionsrate βc als das Verhältnis zwischen dem Druck in dem Kanal stromaufwärts der Drossel 331 und dem stromaufwärtigen Kompressordruck pcus bestimmt werden . Der Wert des Ansaugkrümmerdrucks pi kann durch den Krümmerdruck- und Temperatursensor 350 gemessen werden, der in dem Ansaugkrümmer 200 angeordnet ist. Der Wert des Ansaugkrümmerinnenvolumens Vi ist eine Konstante, die von der Geometrie des Luftladesystems abhängt. Der Wert des Restgasanteils Fi kann als eine Funktion des Werts einer Sauerstoffkonzentration O2 innerhalb des Ansaugkrümmers 200 gemäß der Gleichung Fi = 1 - O2 berechnet werden. Der Wert der Sauerstoffkonzentration O2 kann durch einen dedizierten Sensor gemessen werden, der in dem Ansaugkrümmer 200 angeordnet ist, oder kann auf der Grundlage anderer messbarer Betriebsparameter des Verbrennungsmotors 110 geschätzt werden. Der Wert des Restgasanteils Fc kann als eine Funktion des Werts einer Sauerstoffkonzentration O2c an dem Ansaugkanal 205 stromaufwärts von dem Kompressor 240, bestimmt werden gemäß der Gleichung Fc = 1 - O2c. Die Sauerstoffkonzentration des Kompressors O2c kann auf der Grundlage anderer messbarer Betriebsparameter in dem Ansaugkanal 205 und in der ND-Leitung 500 geschätzt werden. Der Wert der Ansaugkrümmer-Lufttemperatur Ti kann (stromabwärts des Ladeluftkühlers 260) durch den Krümmerdruck- und Temperatursensor 350 gemessen werden, der in dem Ansaugkrümmer 200 angeordnet ist. Der Wert des Abgaskrümmerdrucks px kann durch einen Drucksensor gemessen werden, der in dem Abgaskrümmer 225 oder in der Abgasleitung 275 stromaufwärts der Turbine 250 angeordnet sein kann. Alternativ kann dieser Druckwert auf der Grundlage anderer messbarer Betriebsparameter des Verbrennungsmotors 110 geschätzt werden, beispielsweise auf der Grundlage der Messungen, die von den Abgasdruck- und Temperatursensoren 430 durchgeführt werden. Der Wert des HD-AGR-Korrekturkoeffizienten ξegrHP ist eine nichtlineare Funktion des Druckverhältnisses über das HD-AGR-Ventil. Der Wert der Abgaskrümmergastemperatur Tx kann durch einen Temperatursensor gemessen werden, der in dem Abgaskrümmer 225 oder in der Abgasleitung 275 stromaufwärts der Turbine 250 angeordnet sein kann. Alternativ kann dieser Temperaturwert auf der Grundlage anderer messbarer Betriebsparameter des Verbrennungsmotors 110 geschätzt werden, beispielsweise auf der Grundlage der Messungen, die von den Abgasdruck- und Temperatursensoren 430 durchgeführt werden. Der Wert des volumetrischen Wirkungsgrades ηv0 der Motor ist eine Konstante, die von der Geometrie des Motors abhängt. Der Wert der Verschiebung Vd des Motors ist eine Konstante, die von der Geometrie des Motors abhängt. Der Wert der Motordrehzahl Ne kann durch den Kurbelwellenpositionssensor 420 gemessen werden. Der Wert von c ist eine Konstante. Der Wert der spezifischen Wärmekapazität cp ist eine Konstante. Der Wert des Massedurchsatzes Wc der Luft-/Gas-Strömung durch den Kompressor 240 des Turboladers 230 kann als die Summe des Luftmassedurchsatzes Wa und des Massedurchsatzes durch den ND-AGR bestimmt werden. Der Wert des Massedurchsatzes Wƒ des in die Brennkammern 150 des Motors 110 eingespritzten Kraftstoffs kann durch die Regelstrategien bereitgestellt werden, die die Kraftstoffeinspritzdüsen 160 betreiben. Der Wert der Temperatur Tcus der Luft-/Gas-Strömung in dem Ansaugkanal 205 stromaufwärts des Kompressors 240 kann auf der Grundlage anderer messbarer Betriebsparameter in dem Ansaugkanal 205 und in der ND-Leitung 500 bestimmt werden. Der Wert der Kompressorleistungsrate Rc kann als eine Funktion des Massedurchsatzes Wc der Luft-/Gas-Strömung durch den Kompressor 240, der Kompressionsrate βc des Drucks pcus , der Temperatur Tcus und der universellen Gaskonstante R bestimmt werden. Der Wert des Restgasanteils Fx an dem Abgaskrümmer 225 kann durch einen Lambdasensor gemessen werden, der sich in der Abgasleitung 275 stromaufwärts der Nachbehandlungsvorrichtungen 280 befindet. Der Wert des Drucks pcus der Luft-/Gas-Strömung in dem Ansaugkanal 205 stromaufwärts des Kompressors 240 kann auf der Grundlage anderer messbarer Betriebsparameter in dem Ansaugkanal 205 und der ND-Leitung 500 geschätzt werden. Der Wert des Volumens Vcus des Ansaugkanals des Kompressors 240 ist eine Konstante, die von der Geometrie des Luftladesystems abhängt. Der Wert des ND-AGR-Korrekturkoeffizienten ξegrLP ist eine nichtlineare Funktion des Druckverhältnisses über das ND-AGR-Ventil. Der Druck pexh des Abgases in der Abgasleitung 275 stromabwärts der Nachbehandlungsvorrichtungen 280 kann auf der Grundlage anderer messbarer Betriebsparameter in der Abgasleitung 275 bestimmt werden. Der Wert der Temperatur TegrLP des Abgases in der ND-AGR-Leitung 500 kann durch einen speziellen Sensor gemessen werden, der in dem Kanal stromaufwärts des ND-AGR-Ventils 521 angeordnet ist. Der Wert des Luftmassedurchsatzes in dem Ansaugkanal 205 kann durch den Sensor 340 berechnet werden. Die Lufttemperatur Tcds kann mit einem dedizierten Sensor gemessen oder geschätzt werden. Die Leistungsrate Rec kann mit der oben genannten Formel berechnet werden, wobei der Luftdruck pcds mit einem Drucksensor gemessen werden und βec als das Verhältnis zwischen pitvus und pcds . bestimmt werden kann.
  • Die überwachten Werte der Ausgabeparameter βc, pi, Fi, Fc und βec werden zurückgemeldet und zur Berechnung eines Fehlers (d. h. einer Differenz) e1, e2, e3, e4 und e5 zwischen jedem von ihnen und einem entsprechenden Sollwert pi_tar, Fi_tar, βc_tar, Fc_tar und βec_tar davon verwendet: e 1 = p i _ tar − p i
    Figure DE102018111962B4_0078
     e 2 = β c _ tar − β c
    Figure DE102018111962B4_0079
     e 3 = F i _ tar − F i
    Figure DE102018111962B4_0080
     e 4 = F c _ tar − Fc
    Figure DE102018111962B4_0081
     e 5 = β ec _ tar − β ec
    Figure DE102018111962B4_0082
  • Die Sollwerte pi_tar, βc-tar, Fi-tar, βec_tαr und Fc_tar für die Ausgabeparameter können von der ECU 450 durch den Prozessor 452 auf der Grundlage anderer herkömmlicher Strategien, beispielsweise auf der Grundlage des Motorbetriebspunkts, bestimmt werden.
  • Der erste Fehler e1 wird dann als Eingabe an einen ersten Linearregler mit Einzeleingabe und Einzelausgabe (SISO-Linearregler) S605 angelegt, der als Ausgabe einen entsprechenden Wert für die erste virtuelle Eingabe liefert v1. Der zweite Fehler e2 wird als Eingabe an einen zweiten SISO-Linearregler S610 angelegt, der als Ausgabe einen entsprechenden Wert für die zweite virtuelle Eingabe liefert v2. Der dritte Fehler e3 wird als Eingabe an einen dritten SISO-Linearregler S615 angelegt, der als Ausgabe einen entsprechenden Wert für die dritte virtuelle Eingabe liefert v3. Der vierte Fehler e4 wird als Eingabe an einen vierten SISO-Linearregler S620 angelegt, der als Ausgabe einen entsprechenden Wert für die vierte virtuelle Eingabe v4.liefert. Der fünfte Fehler e5 wird als eine Eingabe an einen fünften SISO-Linearregler S625 angelegt, der als Ausgabe einen entsprechenden Wert für die fünfte virtuelle Eingabe v5. liefert.
  • Die fünf Linearregler S605, S610, S615, S620 und S625 können zum Beispiel Proportional-Integral-Regler (PI-Regler) oder Proportional-Integral-Differential-Regler (PID-Regler) sein und sind über das oben erläuterte äquivalente lineare System abgestimmt, um die jeweiligen Fehler e1, e2, e3, e4 und e5 zu minimieren.
  • Die Werte der virtuellen Eingaben v1, v2, v3, v4 und v5 werden dann einem nichtlinearen Berechnungsmodul S630 zugeführt, wo sie verwendet werden, um entsprechende Werte der Eingabeparameter, Witv, CdAegr_HP, CdAegl_LP, Rt und Pe des Luftladesystems 195 zu berechnen. Insbesondere kann das Berechnungsmodul S630 dieser Eingabeparameter mit dem zuvor erläuterten Regelungsalgorithmus für die Feedback-Linearisierung berechnen: u = [ W i t v C d A e g r _ H P C d A e g r _ L P R t P e ] = G g ( x ) − 1 ⋅ ( v − ƒ ( x ) )
    Figure DE102018111962B4_0083
  • Der berechnete Wert des Luftmassedurchsatzes Witv wird dann einem Berechnungsmodul S635 zugeführt, das ein mathematisches Modell des Einlassventils 330 verwenden kann, um eine Position Uitv als Ausgabe des Aktuators 332 auszugeben, die dem berechneten Wert des Luftmassedurchsatzes entspricht Witv. Der berechnete Wert des strömungswirksamen Bereichs CdAegr_HP wird noch einem anderen Berechnungsmodul S640 zugeführt, das ein mathematisches Modell des HD-AGR-Ventils 320 verwenden kann, um eine Position Uegr_HP des Aktuators 322 auszugeben, die dem berechneten Wert des strömungswirksamen Bereichs CdAegr_HP entspricht. Der berechnete Wert des strömungswirksamen Bereichs CdAegr_LP wird dann wieder einem anderen Berechnungsmodul S645 zugeführt, das ein mathematisches Modell des ND-AGR-Ventils 520 verwenden kann, um eine Position Uegr_LP des Aktuators 522 auszugeben, die dem berechneten Wert des strömungswirksamen Bereichs CdAegr_LP entspricht. Der berechnete Wert der Turbinenleistungsrate Rt wird auf noch ein anderes Berechnungsmodul S650 der Turbine 250 angewendet, um als Ausgabe eine Position Uvgt des Aktuators 290 auszugeben, die dem berechneten Wert der Turbinenleistungsrate Rt entspricht.
  • Der Einlassventilaktuator 332, der HD-AGR-Ventilaktuator 322, der ND-AGR-Ventilaktuator 522 und der VGT-Aktuator 290 werden gemäß der jeweiligen berechneten Position Uitv, Uegr_HP, Uegr_LP und Uvgt betrieben, während der Elektromotor 605 des Luftkompressors 600 gemäß dem berechneten Wert Pe der elektrischen Leistung (Aktuator-Betätigungsmodul S655) betrieben wird.
  • Die oben beschriebenen Beispiele zeigen, dass das Luftladesystem 195 mit einer Feedback-Linearisierungsregelungsstrategie gesteuert werden kann. Wie schematisch in 10 gezeigt, sieht diese Feedback-Linearisierungsregelungsstrategie im Allgemeinen für die ECU 450 durch den Prozessor 452 vor, einen Vektor zu bestimmen (Block S700) v einen Wert einer Vielzahl von virtuellen Eingaben enthalten, von denen jeder in linearer Beziehung mit nur einem der Ausgabeparameter des Luftladesystems 195 steht, das in dem Vektor y enthalten ist. Der Vektor v wird von dem Prozessor als Eingabe für einen Feedback-Linearisierungsalgorithmus (Block S705) wie folgt angewendet: u ( x , v ) = G g ( x ) − 1 ⋅ ( v − C f ( x ) )
    Figure DE102018111962B4_0084
    das als Ausgabe einen entsprechenden Vektor u von Werten von „tatsächlichen“ Eingabeparametern des Luftladesystems 195 liefert, von denen jeder dann verwendet wird (Block S710), um einen entsprechenden der Aktuatoren des Luftladesystems 195 zu betreiben.
  • Wie in den obigen Beispielen erläutert, kann während des Betriebs des Verbrennungsmotors 110 der Wert jeder virtuellen Eingabe mit einem dedizierten Linearregler mit Einzeleingabe und Einzelausgabe (SISO-Linearregler) bestimmt werden, und zwar gemäß eines Feedback-Regelmechanismus der verwandten Ausgabeparameter des Luftladesystems. Auf diese Weise werden alle Aktuatoren des Luftladesystems 195 gemeinsam auf koordinierte Weise gesteuert, wodurch die Genauigkeit und das Zeitverhalten verbessert werden, mit dem das Luftladesystem 195 die Sollwerte seiner Ausgabeparameter einhält, wie z. B. während der Transienten. Dies ermöglicht eine gleichzeitige und koordinierte Steuerung der Aktuatoren, während sie ihre Wechselwirkungen ausgleicht.

Claims (1)

  1. Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Luftladesystems (195) eines Verbrennungsmotors (110), wobei das Luftladesystem (195) umfasst, und wobei das Verfahren umfasst: Überwachen einer Vielzahl von Ausgabeparametern des Luftladesystems (195) durch eine Vielzahl von Sensoren; Berechnen eines Fehlers zwischen jedem der Ausgabeparameter und einem Sollwert davon durch einen Prozessor (452); Anwenden von jedem der berechneten Fehler, durch den Prozessor (452), auf einen Linearregler (S305, S310, S315, S320), der eine virtuelle Eingabe liefert; Berechnen einer Vielzahl von Eingabeparametern für das Luftladesystem (195) durch den Prozessor (452) unter Verwendung der virtuellen Eingabe mit einem nichtlinearen mathematischen Modell des Luftladesystems (195), das so konfiguriert ist, dass jede der virtuellen Eingaben in einer linearen Beziehung mit nur einem der Ausgabeparameter steht, wobei jeder der Eingabeparameter alle Ausgabeparameter beeinflusst; und Betreiben einer Vielzahl von Aktuatoren (290, 322, 332, 522) des Luftladesystems (195) einschließlich eines Elektromotors (605) eines Luftkompressors (600), wobei jeder der Aktuatoren (290, 322, 522) einen entsprechenden der Eingabeparameter verwendet; wobei das Berechnen der Eingabeparameter das Berechnen eines Eingabeparameters für den Elektromotor (605) durch den Prozessor (452) und mindestens eines von einem ersten Aktuator (332) für ein Lufteinlassventil (330), einem zweiten Aktuator (322) für ein Abgasrückführungsventil (320), und einem dritten Aktuator (290) für einen Turbolader (230) mit variabler Geometrie umfasst; wobei das Berechnen der Eingabeparameter das Berechnen eines Eingabeparameters für jeden von dem ersten Aktuator (332) für das Lufteinlassventil (330), den zweiten Aktuator (322) für das Abgasrückführungsventil (320) und den dritten Aktuator (290) für den Turbolader (230) mit variabler Geometrie und den Elektromotor (605) umfasst; wobei das Berechnen der Eingabeparameter weiterhin umfasst: Berechnen eines ersten Eingabeparameters durch den Prozessor (452), der einen Luftmassedurchsatz durch das Lufteinlassventil angibt; Berechnen eines zweiten Eingabeparameters durch den Prozessor (452), der einen Abgasmassedurchsatz durch das Abgasrückführventil angibt; Berechnen eines vierten Eingabeparameters durch den Prozessor (452), der eine Leistungsrate einer Turbine (250) des Turboladers (230) mit variabler Geometrie anzeigt; und Berechnen eines fünften Eingabeparameters durch den Prozessor (452), der eine elektrische Leistung anzeigt, die dem Elektromotor (605) des Luftkompressors (600) bereitzustellen ist.
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