DE102018114336B4 - Verfahren zum Steuern eines Stellgliedsystems eines Kraftfahrzeugs - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Steuern eines Stellgliedsystems eines Kraftfahrzeugs, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:Verwenden eines modellprädiktiven Steuerungs-(MPC)-Moduls (312) mit einem MPC-Löser zum Bestimmen optimaler Positionen einer Vielzahl von Stellgliedern, die Einschränkungen unterliegen;Optimieren einer Kostenfunktion für einen Satz von Stellglied-Tastverhältnissen zum Steuern von Positionen der Vielzahl von Stellgliedern;Bestimmen, ob der MPC-Löser optimale Stellgliedpositionen für die Vielzahl von Stellgliedern bestimmt hat;wobei das MPC-Modul (312) weiterhin ein Optimierungsmodul (320) beinhaltet, das mehrere Einschränkungen festlegt, einschließlich Einschränkungen für mindestens jedes von einem Drosselventil (112), einem Abgasrückführventil-(AGR)-Ventil (170), einem Ladedruckregelventil (162), einem Einlassnockenversteller (148), einem Auslassnockenversteller (150) der Vielzahl von Stellgliedern; gekennzeichnet durchAufbringen einer linearen quadratischen Regler-(LQR)-Lösung, wenn der MPC-Löser nicht die optimalen Stellgliedpositionen für die Vielzahl der Stel-Iglieder ermittelt;wobei es ferner vorgesehen ist, dassdas Optimierungsmodul (320) die mehreren Einschränkungen auf enge Betriebsbereiche für die Vielzahl von Stellgliedern einstellt, wenn eine LQR-Lösung außerhalb der Betriebsbereiche liegt; oder dassdas Optimierungsmodul (320) eine LQR-Lösung für einen aktuellen Regelkreis aufbringt, wenn der MPC-Löser nicht die optimalen Stellgliedpositionen für die Vielzahl von Stellgliedern bestimmt; oder dassdas Optimierungsmodul (320) die LQR-Lösung für einen zukünftigen Regelkreis aufbringt, wenn der MPC-Löser nicht die optimalen Stellgliedpositionen für die Vielzahl von Stellgliedern innerhalb der Einschränkungen für die Vielzahl von Stellgliedern bestimmt.

Description

  • EINLEITUNG
  • Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zum Steuern eines Stellgliedsystems eines Kraftfahrzeugs, wie es der Art nach im Wesentlichen aus der DE 10 2016 101 859 A1 bekannt ist.
  • Bezüglich des weitergehenden Standes der Technik sei an dieser Stelle auf die US 2011 / 0 125 293 A1 verwiesen.
  • Verbrennungsmotoren verbrennen ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in Zylindern zur Bewegung der Kolben zur Erzeugung des Antriebsmoments. Die Luftzufuhr in den Motor wird durch eine Drossel geregelt. Genauer gesagt regelt die Drossel den Drosselbereich, der die Luftzufuhr in den Motor erhöht oder senkt. Wenn der Drosselbereich steigt, steigt auch die Luftzufuhr in den Motor. Ein Kraftstoffregelsystem passt die Kraftstoffeinspritzmenge an, um die Zylinder mit einem erwünschten Kraftstoff-Luft-Gemisch zu versorgen und/oder um ein erwünschtes Abtriebsdrehmoment zu erzielen. Eine Versorgung der Zylinder mit mehr Kraftstoff und Luft erhöht das Abtriebsdrehmoment des Motors.
  • In Fremdzündungsmotoren löst ein Zündfunke die Verbrennung eines den Zylindern zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemischs aus. In Selbstzündungsmotoren wird das den Zylindern zugeführte Luft-Kraftstoff-Gemisch durch die Kompression in den Zylindern gezündet. Der Zündzeitpunkt und die Luftzufuhr können die wesentlichen Faktoren zur Regelung der Drehmomentausgabe von Fremdzündungsmotoren sein, während die Kraftstoffzufuhr der wesentliche Faktor zur Regelung der Drehmomentausgabe von Selbstzündungsmotoren sein kann.
  • Motorsteuersysteme wurden entwickelt, um das Motorausgangsdrehmoment zu regeln und ein erwünschtes Drehmoment zu erzielen. Herkömmliche Motorsteuersysteme regeln jedoch das Motorausgangsdrehmoment nicht mit der erforderlichen Genauigkeit. So werden z. B. manche Reaktionsausgänge, die in Rückkopplungskreisen für Steuervariablen verwendet werden, nicht schnell genug aktualisiert, um einen echtzeitnahen Rückkopplungswert bereitzustellen, der akkurate Befehle erlaubt. Weiterhin liefern herkömmliche Motorsteuersysteme keine schnelle Reaktion auf Steuersignale oder koordinieren die Drehmomentregelung des Motors zwischen mehreren Vorrichtungen, die das Motorausgangsdrehmoment beeinflussen. Während die derzeitigen Motorsteuerungssysteme ihren Zweck erfüllen, ist ein neues und verbessertes System und Verfahren für die Motorsteuerung mit schnelleren Ansprechgrößen und verbesserter Steuergenauigkeit erforderlich.
  • KURZDARSTELLUNG
  • In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum Steuern eines Stellgliedsystems eines Kraftfahrzeugs die Merkmale des Anspruchs 1
  • In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung löst der MPC-Löser eine Sequenz von quadratischen Problemen bei der Verfeinerung von Stellgliedbewegungen über einen Steuerungshorizont für die Vielzahl von Stellgliedern.
  • In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet das MPC-Modul weiterhin ein Vorhersagemodul, das zukünftige Zustandswerte der Vielzahl von Stellgliedern bestimmt.
  • In noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet das Optimieren einer Kostenfunktion auch das Minimieren eines Stellglied-Leistungskriteriums über einen Vorhersagehorizont für jeden Regelkreis.
  • In noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet das Aufbringen einer LQR-Lösung auch das Aufbringen der LQR-Lösung, wenn der MPC-Löser nicht in der Lage ist, optimale Stellgliedpositionen innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne zu bestimmen.
  • In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung liegt die vorgegebene Zeitspanne bei etwa 25 ms.
  • In noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung bringt das Optimierungsmodul die LQR-Lösung für eine Vielzahl der zukünftigen Regelkreise auf, wenn es dem MPC-Löser nicht gelingt, optimale Stellgliedpositionen für die Vielzahl von Stellgliedern innerhalb der Einschränkungen für die Vielzahl von Stellgliedern zu bestimmen.
  • In noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet ein Verfahren zum Steuern eines Stellgliedsystems innerhalb eines Kraftfahrzeugs die Nutzung eines Stellgliedsteuersystems, das einen gewünschten Ausgang für mindestens ein erstes Stellglied des Stellgliedsystems bereitstellt und innerhalb eines ersten Umwandlungsmoduls den gewünschten Ausgang in eine gewünschte erste Stellgliedposition umwandelt, Konvertieren der gewünschten ersten Stellgliedposition in eine erste Stellgliedposition innerhalb eines zweiten Umwandlungsmoduls unter Verwendung eines modellprädiktiven Steuerungs-(MPC)-Moduls mit einem MPC-Löser, der optimale erste Stellgliedpositionen basierend auf einer aktuellen Position des ersten Stellglieds bestimmt, Bestimmen zukünftiger Zustandswerte des Stellgliedsystems innerhalb eines Vorhersagemoduls unter Verwendung eines mathematischen Modells des Stellgliedsystems, Bestimmen innerhalb eines Kostenmoduls eines ersten möglichen Satzes von MPC-Soll-Stellglied-Tastverhältniswerten, Identifizieren optimaler Sätze von Soll-Stellglied-Tastverhältniswerten für das MPC-Modul innerhalb eines Steuermoduls, Bestimmen, ob der MPC-Löser optimale Stellglied-Motor-Tastverhältniswerte für die Vielzahl von Stellgliedern bestimmt hat, und Aufbringen einer linearen quadratischen Regler-(LQR)-Lösung für die Soll-Stellgliedmotor-Tastverhältniswerte, wenn der MPC-Löser die optimalen Stellgliedmotor-Tastverhältnisse für die Vielzahl von Stellgliedern nicht ermittelt und das MPC-Modul den Betrieb eines Stellglied-Tastverhältnisses steuert, um Soll-Stellgliedpositionen basierend auf Soll-Stellgliedmotor-Tastverhältniswerten zu erreichen.
  • In noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet die Nutzung eines MPC-Moduls das Bestimmen einer gewünschten Leistung für mindestens das erste Stellglied.
  • In noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet der MPC-Löser einen quadratischen Programmierungs-(QP)-Löser und einen Kalman-Filter.
  • In noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet das Aufbringen einer linearen quadratischen Regler-(LQR)-Lösung weiterhin das Aufbringen der LQR-Lösung, wenn der MPC-Löser nicht in der Lage ist, optimale Stellgliedpositionen innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne zu bestimmen.
  • In noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet das MPC-Modul weiterhin ein Optimierungsmodul, das mehrere Einschränkungen festlegt, einschließlich Einschränkungen für mindestens jedes der Drosselventile, eines Abgasrückführ-(AGR)-Ventils, eines Ladedruckregelventil, eines Einlassnockenverstellers und eines Auslassnockenverstellers, des Stellgliedsystems.
  • In noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt das Optimierungsmodul die Einschränkungen auf enge Betriebsbereiche für die Vielzahl von Stellgliedern ein, wenn eine LQR-Lösung außerhalb der Betriebsbereiche liegt.
  • In noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung, wenn der MPC-Löser nicht in der Lage ist, die optimalen Motorbetriebszyklen für die Vielzahl von Stellgliedern zu bestimmen, wendet das Optimierungsmodul die LQR-Lösung für einen der folgenden Fälle an: einen aktuellen Regelkreis, einen einzelnen zukünftigen Regelkreis oder eine Vielzahl von zukünftigen Regelkreisen.
  • In noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet das MPC-Modul weiterhin eine Vielzahl von MPC-Steuerungen, und das Stellglied-Steuerungssystem beinhaltet weiterhin eine Vielzahl von Stellgliedern, und jede der Vielzahl von MPC-Steuerungen steuert ein separates Stellglied der Vielzahl von Stellgliedern.
  • In noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet ein Stellgliedsteuerungssystem für ein Kraftfahrzeug unter Verwendung einer modellprädiktiven Steuerung (MPC) ein MPC-Modul mit einem MPC-Löser mit einer ersten Logik, die aktuelle Systembeschränkungen basierend auf einer aktuellen Position eines Stellglieds bestimmt, wobei der MPC-Löser eine zweite Logik aufweist, die Kosten für einen Satz von Stellglied-Tastzyklen zum Steuern der Position des Stellglieds bestimmt, wobei der MPC-Löser eine dritte Logik aufweist, die bestimmt, ob der MPC-Löser eine Lösung für die aktuellen Systembeschränkungen aufweist, wobei der MPC-Löser eine vierte Logik zum Anwenden einer linearen quadratischen Regler-(LQR)-Lösung aufweist, wenn der MPC-Löser keine Lösung für die aktuellen Systembeschränkungen aufweist, und der MPC-Löser eine fünfte Logik zum Einschränken der LQR-Lösung auf physikalische und programmierte Beschränkungen des Stellgliedsystems aufweist. Der MPC-Löser beinhaltet einen Kalman-Filter und einen quadratischen Programmierungs-(QP)-Problemlöser.
  • Weitere Aufgaben, Beispiele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen deutlich, wobei gleiche Referenznummern auf gleiche Komponenten, Elemente oder Merkmale verweisen.
  • Figurenliste
  • Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen lediglich der Veranschaulichung.
  • Die vorliegende Erfindung wird verständlicher unter Zuhilfenahme der ausführlichen Beschreibung und der zugehörigen Zeichnungen, wobei gilt:
    • 1 ein Funktionsblockdiagramm eines exemplarischen Motorsystems gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung;
    • 2 ein Funktionsblockdiagramm eines exemplarischen Motorsteuerungssystems gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung;
    • 3 ein Funktionsblockdiagramm eines exemplarischen Motorsystems gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung;
    • 4 ein Flussdiagramm zur Darstellung eines Verfahrens zum Steuern eines Stellglieds mittels einer modellprädikativen Steuerung gemäß der vorliegenden Erfindung ist; und
    • 5 ein Flussdiagramm zur Darstellung eines exemplarischen Verfahren zum Steuern eines Drosselventils, eines Einlass- und Auslassventilverstellers, und eines Ladedruckregelventil eines Turbolader-Ladedruckregelventils unter Verwendung der modellprädikativen Steuerung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Die folgende Beschreibung ist ihrer Art nach lediglich exemplarisch und beabsichtigt nicht, die vorliegende Offenbarung, Anwendung oder Verwendungen zu begrenzen.
  • Wie in der US-Patentschrift unter den Nummern 9.599,053 und 9.605,615 beschrieben, wird die Drehmomentabgabe eines Motors durch ein Motorsteuerungsmodul (ECM) gesteuert. Genauer gesagt steuert das ECM Stellglieder des Motors basierend jeweils auf Sollwerten, die basierend auf einem angeforderten Drehmoment ermittelt werden. So steuert beispielsweise das ECM die Einlass- und Auslassnockenwellen-Phasenverstellung basierend auf dem Phasenversteller-Sollwinkel für die Ein- und Auslassnockenwelle, ein Drosselventil basierend auf einer Drosselventil-Sollöffnung, ein Abgasrückführventil (AGR-Ventil) basierend auf einer AGR-Sollöffnung und ein Turbolader-Ladedruckregelventil basierend auf einem Ladedruckregelventil-Sollarbeitszyklus.
  • Das ECM könnte die Sollwerte einzeln unter Verwendung von mehreren Einfacheingangs-Einfachausgangs-Controllern (SISO-Controllern), wie Proportional-Integral-Derivativ-Controllern (PID-Reglern), bestimmen. Wenn mehrere SISO-Controller zum Einsatz kommen, können die Sollwerte die Systemstabilität jedoch nur zu Lasten von möglichen Kraftstoffeinsparungen gewährleisten. Außerdem können Kalibrierung und Design der einzelnen SISO-Controller kosten- und zeitaufwendig sein.
  • Das in der vorliegenden Offenbarung vorgestellte ECM generiert die Sollwerte mittels modellprädikativer Steuerung (MPC). Genauer gesagt, ermittelt das ECM optimale Sollwerte durch iteratives Lösen eines eingeschränkten quadratischen Optimierungsproblems jedes Regelkreises. Das ECM der vorliegenden Offenbarung löst das Optimierungsproblem rechnerisch effizient.
  • Mit Verweis auf 1 wird ein Funktionsblockdiagramm eines exemplarischen Motorsystems 100 dargestellt. Das Motorsystem 100 beinhaltet einen Motor 102, der ein Kraftstoff-Luftgemisch verbrennt, um ein Antriebsmoment für ein Fahrzeug, basierend auf Fahrereingaben von einem Fahrereingabemodul 104, zu erzeugen. Der Motor 102 kann ein Fremdzündungs-Benzinverbrennungsmotor sein.
  • Die Luft wird durch einen Ansaugkrümmer 110 über ein Drosselventil 112 angesaugt. Ausschließlich als Beispiel kann das Drosselventil 112 eine Drosselklappe mit einem drehbaren Flügel beinhalten. Ein Motorsteuergerät (Engine Control Module, ECM) 114 steuert ein Drosselstellgliedmodul 116, das wiederum die Öffnung der Drosselklappe 112 zur Regulierung der in den Ansaugkrümmer 110 angesaugten Luftmenge steuert.
  • Die Luft vom Ansaugkrümmer 110 wird in die Zylinder des Motors 102 gesaugt. Obwohl der Motor 102 mehrere Zylinder beinhalten kann, ist hier zu Veranschaulichungszwecken nur ein einzelner repräsentativer Zylinder 118 dargestellt. Nur als Beispiel kann der Zylinder 102 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10 und/oder 12 Zylinder beinhalten. Das ECM 114 kann ein Zylinderstellgliedmodul 120 zum gezielten Deaktivieren bestimmter Zylinder anweisen, wodurch unter bestimmten Betriebsbedingungen des Motors die Kraftstoffeffizienz verbessert werden kann.
  • Der Motor 102 kann nach dem Viertaktprinzip betrieben werden. Die vier nachstehend beschriebenen Takte können als Einlasstakt, Verdichtungstakt, Verbrennungstakt und Auslasstakt bezeichnet werden. Während jeder Umdrehung einer Kurbelwelle (nicht dargestellt) erfolgen zwei der vier Takte innerhalb des Zylinders 118. Demzufolge sind zwei Umdrehungen der Kurbelwelle erforderlich, damit der Zylinder 118 alle vier Takte ausführen kann.
  • Während des Einlasstakts wird die Luft aus dem Ansaugkrümmer 110 durch ein Einlassventil 122 in den Zylinder 118 gesaugt. Das ECM 114 steuert ein Kraftstoffstellgliedmodul 124, das die Kraftstoffeinspritzung so regelt, dass ein bestimmtes Soll-Kraftstoff-/Luftverhältnis erreicht wird. Kraftstoff kann in den Ansaugkrümmer 110 an einer zentralen Stelle oder mehreren Stellen, wie beispielsweise nahe am Einlassventil 122 jedes Zylinders, eingespritzt werden. In verschiedenen Implementierungen (nicht dargestellt) kann Kraftstoff direkt in die Zylinder oder in mit den Zylindern verbundene Mischkammern eingespritzt werden. Das Kraftstoffstellgliedmodul 124 kann das Einspritzen von Kraftstoff in die deaktivierten Zylinder stoppen.
  • Der eingespritzte Kraftstoff vermischt sich mit Luft und bildet innerhalb des Zylinders 118 ein Kraftstoff-/Luftgemisch. Während des Verdichtungstaktes komprimiert ein Kolben (nicht dargestellt) im Zylinder 118 das Kraftstoff-/Luftgemisch. Ein Zündfunkenstellgliedmodul 126 legt basierend auf einem Signal vom ECM 114 Spannung an eine Zündkerze 128 im Zylinder 118 an, die das Kraftstoff-/Luftgemisch zündet. Der Zeitpunkt des Zündfunkens kann so gelegt werden, dass sich der Kolben in diesem Moment in seiner als oberer Totpunkt (OT) bezeichneten obersten Stellung befindet.
  • Das Zündfunkenstellgliedmodul 126 kann durch ein Zeitsignal gesteuert werden, das festlegt, wie lange vor oder nach dem OT der Funke ausgelöst werden soll. Weil die Kolbenstellung direkt mit der Kurbelwellendrehung zusammenhängt, kann die Funktion des Zündfunkenstellgliedmoduls 126 mit dem Kurbelwellenwinkel synchronisiert werden. Das Erzeugen des Funkens kann als Zündung bezeichnet werden. Das Zündfunkenstellgliedmodul 126 kann die Fähigkeit haben, den Zündzeitpunkt für jedes Zündereignis zu variieren. Das Zündfunkenstellgliedmodul 126 kann den Zündzeitpunkt für eine nächste Zündung verschieben, wenn der Zündzeitpunkt zwischen einer letzten Zündung und der nächsten Zündung verändert wurde. Das Zündfunkenstellgliedmodul 126 kann die Zündung für deaktivierte Zylinder sperren.
  • Während des Verbrennungstakts treibt die Verbrennung des Kraftstoff-/Luftgemischs den Kolben weg vom OT, wodurch die Kurbelwelle angetrieben wird. Der Verbrennungstakt kann als die Zeit zwischen dem Moment bezeichnet werden, in dem der Kolben den OT erreicht und dem Moment, in dem der Kolben den unteren Totpunkt (UT) erreicht. Während des Auslasstaktes bewegt sich der Kolben vom UT weg und stößt die Verbrennungsabfallprodukte durch ein Auslassventil 130 aus. Die Verbrennungsabfallprodukte werden über ein Abgassystem 134 aus dem Fahrzeug ausgestoßen.
  • Das Einlassventil 122 kann durch eine Einlassnockenwelle 140 gesteuert werden, während das Auslassventil 130 durch eine Auslassnockenwelle 142 gesteuert werden kann. In unterschiedlichen Anwendungen können mehrere Einlassnockenwellen (einschließlich der Einlassnockenwelle 140) mehrere Einlassventile (einschließlich des Einlassventils 122) für den Zylinder 118 steuern und/oder können die Einlassventile (einschließlich des Einlassventils 122) mehrerer Zylinderbänke (einschließlich des Zylinders 118) steuern. Auf ähnliche Weise können mehrere Auslassnockenwellen (einschließlich der Auslassnockenwelle 142) mehrere Auslassventile für den Zylinder 118 steuern und/oder können Auslassventile (einschließlich des Auslassventils 130) mehrerer Zylinderbänke (einschließlich des Zylinders 118) steuern. In verschiedenen Implementierungen kann das Einlassventil 122 und/oder das Auslassventil 130 durch andere Vorrichtungen als Nockenwellen gesteuert werden, wie z. B. durch nockenlose Ventilstellglieder. Das Zylinderstellgliedmodul 120 kann den Zylinder 118 durch Deaktivieren des Öffnens des Einlassventils 122 und/oder des Auslassventils 130 deaktivieren.
  • Die Zeit, wenn das Einlassventil 122 geöffnet wird, kann im Verhältnis zum TDC des Kolbens durch einen Einlassnockenversteller 148 variiert werden. Die Zeit, wenn das Auslassventil 130 geöffnet wird, kann im Verhältnis zum TDC des Kolbens durch einen Auslassnockenversteller 150 variiert werden. Ein Verstellstellgliedmodul 158 kann den Einlassnockenverstell 148 und den Auslassnockenverstell 150 basierend auf Signalen vom ECM 114 steuern. Insofern implementiert, kann ein variabler Ventilhub (nicht dargestellt) zudem durch das Phasenstellgliedmodul 158 gesteuert werden.
  • Das Motorsystem 100 kann einen Turbolader beinhalten, der wiederum eine Heißgasturbine 160-1 beinhaltet, die von den durch das Abgassystem 134 strömenden heißen Abgasen angetrieben wird. Der Turbolader beinhaltet zudem einen Kaltluftkompressor 160-2, der von der Turbine 160-1 angetrieben wird. Der Kompressor 160-2 komprimiert die in das Drosselventil 112 geführte Luft. In verschiedenen Implementierungen kann ein von der Kurbelwelle angetriebener Turbolader (nicht dargestellt) die Luft von dem Drosselventil 112 komprimieren und die komprimierte Luft in den Ansaugkrümmer 110 befördern.
  • Ein Ladedruckregelventil 162 kann die Abgase an der Turbine 160-1 vorbei leiten und dadurch den vom Turbolader erzeugten Ladedruck (die Stärke der Einlassluftkompression) reduzieren. Ein Ladedruckstellgliedmodul 164 kann den Ladedruck des Turboladers regeln, indem es die Öffnung des Ladedruckregelventils 162 steuert. In verschiedenen Implementierungen können zwei oder mehrere Turbolader zum Einsatz kommen, die von dem Ladedruckstellgliedmodul 164 gesteuert werden können.
  • Ein Luftkühler (nicht dargestellt) kann Wärme von der komprimierten Ladeluft an ein Kühlmedium, wie z. B. Motorkühlflüssigkeit oder Luft, übertragen. Ein Luftkühler, der die komprimierte Ladeluft unter Verwenden der Motorkühlflüssigkeit kühlt, kann als Intercooler bezeichnet werden. Ein Luftkühler, der die komprimierte Ladeluft unter Verwendung von Luft kühlt, kann als Ladeluftkühler bezeichnet werden. Die komprimierte Ladeluft kann z. B. durch Kompression und/oder von anderen Komponenten des Abgassystems 134 aufgeheizt werden. Obwohl aus Gründen der Veranschaulichung getrennt dargestellt können die Turbine 160-1 und der Kompressor 160-2 miteinander verbunden sein und die Einlassluft in die Nähe heißer Abgase leiten.
  • Das Motorsystem 100 kann ein Abgasrückführventil (AGR) 170 beinhalten, das Abgas selektiv zum Ansaugkrümmer 110 zurückführt. Das AGR-Ventil 170 kann stromaufwärts der Turbine 160-1 des Turboladers angeordnet sein. Das AGR-Ventil 170 kann von einem AGR-Stellgliedmodul 172 basierend auf den Signalen des ECM 114 angesteuert werden.
  • Eine Position der Kurbelwelle kann unter Verwendung eines Kurbelwellen-Positionssensors 180 gemessen werden. Eine Drehzahl der Kurbelwelle (Motordrehzahl) kann basierend auf der Kurbelwellenstellung ermittelt werden. Eine Temperatur des Motorkühlmittels kann unter Verwendung eines Motorkühlmittel-Temperatursensors (ECT-Sensors) 182 gemessen werden. Der ECT-Sensor 182 kann innerhalb des Motors 102 oder an anderen Stellen angeordnet sein, an denen das Kühlmittel umgewälzt wird, wie beispielsweise ein Radiator (nicht dargestellt).
  • Der Druck im Ansaugkrümmer 110 kann unter Verwendung eines Krümmerabsolutdruck (MAP)-Sensors 184 gemessen werden. In verschiedenen Ausführungen kann der aus der Differenz zwischen dem Umgebungsluftdruck und dem Druck im Ansaugkrümmer 110 bestehende Motorunterdruck gemessen werden. Der Massenstromdurchsatz der Luft, die durch den Ansaugkrümmer 110 strömt, kann unter Verwendung eines Luftstrommassen (MAF)-Sensors 186 gemessen werden. In unterschiedlichen Implementierungen kann der MAF-Sensor 186 in einem Gehäuse positioniert sein, das auch die Drosselklappe 112 beinhaltet.
  • Das Drosselstellgliedmodul 116 kann die Stellung des Drosselventils 112 unter Verwendung eines oder mehrerer Drosselstellungssensoren (TPS) 190 überwachen. Die Temperatur der in den Motor 102 zugeführten Umgebungsluft kann unter Verwendung eines Einlasslufttemperatur (IAT)-Sensors 192 gemessen werden. Das Motorsystem 100 kann auch einen oder mehrere andere Sensoren 193, wie einen Umgebungsfeuchtigkeitssensor, einen oder mehrere Klopfsensoren, einen Kompressorauslass-Drucksensor und/oder einen Drosseleinlassdrucksensor, einen Ladedruckregelventil-Stellungssensor, ein AGR-Stellungssensor und/oder einen oder mehrere andere geeignete Sensoren, beinhalten. Das ECM 114 kann Signale von den Sensoren verwenden, um Steuerungsentscheidungen für das Motorsystem 100 zu treffen.
  • Das ECM 114 kann mit einem Getriebesteuermodul 194 in Verbindung stehen, um den Gangwechsel in einem Getriebe zu koordinieren (nicht dargestellt). So kann beispielsweise das ECM 114 bei einem Gangwechsel das Motordrehmoment reduzieren. Das ECM 114 kann mit einem Hybridsteuermodul 196 in Verbindung stehen, um den Betrieb des Verbrennungsmotors 102 und eines Elektromotors 198 zu koordinieren.
  • Der Elektromotor 198 kann ebenfalls als Generator arbeiten und zur Erzeugung von Elektroenergie für die Verwendung durch elektrische Systeme und/oder zur Speicherung in einer Batterie dienen. In verschiedenen Ausführungen können verschiedene Funktionen des ECM 114, des Getriebesteuermoduls 194 und des Hybridsteuermoduls 196 in ein oder mehrere Module integriert werden.
  • Jedes System, das einen Motorparameter beeinflusst, kann als Motorstellglied bezeichnet werden. So kann beispielsweise das Drosselstellgliedmodul 116 die Öffnung des Drosselventils 112 einstellen, um einen Soll-Öffnungsbereich des Drosselventils zu erreichen. Das Zündungsstellgliedmodul 126 steuert die Zündkerzen so, dass ein Sollzündzeitpunkt im Verhältnis zum oberen Totpunkt des Kolbens erreicht wird. Das Kraftstoffstellgliedmodul 124 steuert die Einspritzdüsen so, dass bestimmte Kraftstoffzufuhr-Sollwerte erreicht werden. Das Verstellerstellgliedmodul 158 kann die Einlass- und Auslassnockenversteller 148 und 150 so steuern, dass jeweils Soll-Phasenverstellwinkel für Einlass- und Auslassnocken erreicht werden. Das AGR-Stellgliedmodul 172 kann das AGR-Ventil 170 so steuern, dass ein Sollöffnungsquerschnitt für das AGR erreicht wird. Das Ladedruck-Stellantriebsmodul 164 steuert das Ladedruckregelventil 162 so, dass ein Sollöffnungsbereich für das Ladedruckregelventil erzielt wird. Das Zylinderstellgliedmodul 120 steuert die Zylinderdeaktivierung so, dass eine Sollanzahl aktivierter und deaktivierter Zylinder erreicht wird.
  • Das ECM 114 erzeugt die Sollwerte für die Motorstellglieder, um zu bewirken, dass der Motor 102 ein Soll-Motorausgangsdrehmoment erzeugen kann. Das ECM 114 erzeugt die Sollwerte für die Motorstellglieder unter Verwendung von Model Predictive Control (modellprädikativer Steuerung), wie weiter unten noch eingehender erörtert wird.
  • Mit Verweis auf 2 wird ein Funktionsblockdiagramm eines exemplarischen Motorsteuersystems dargestellt. Eine exemplarische Implementierung des ECM 114 beinhaltet ein Fahrer-Drehmomentmodul 202, ein Achsdrehmoment-Arbitriermodul 204 und Vortriebsdrehmoment-Arbitriermodul 206. Das ECM 114 kann ein Hybrid-Optimierungsmodul 208 beinhalten. Das ECM 114 kann auch ein Reserve-/Lastmodul 220, ein Drehmomentanforderungsmodul 224, ein Luftsteuermodul 228, ein Zündsteuermodul 232, ein Hubraum-Steuermodul 236 und ein Kraftstoff-Steuermodul 240 beinhalten.
  • Das Fahrer-Drehmomentmodul 202 kann eine Fahrer-Drehmomentanforderung 254 basierend auf einer Fahrereingabe 255 vom FahrerEingabemodul 104 ermitteln. Die Fahrereingabe 255 kann beispielsweise basierend auf einer Gaspedal- oder Bremspedalstellung erfolgen. Die Fahrereingabe 255 kann auch auf einer Geschwindigkeitsregelung basieren, die ein adaptives Geschwindigkeitsregelungssystem sein kann, das die Fahrzeuggeschwindigkeit variiert, um einen zuvor festgelegten Folgeabstand zu halten. Das Fahrer-Drehmomentmodul 202 kann eine oder mehrere Zuordnungen von Gaspedalstellungen zu Solldrehmomenten speichern und die Fahrer-Drehmomentanforderung 254 basierend auf einer ausgewählten Zuordnung ermitteln.
  • Ein Achsdrehmoment-Arbitriermodul 204 arbitriert zwischen der Fahrer-Drehmomentanforderung 254 und anderen Achsen-Drehmomentanforderungen 256. Das Achsdrehmoment (Drehmoment an den Rädern) kann von verschiedenen Quellen erzeugt werden, einschließlich eines Motors und/oder eines Elektromotors. So kann beispielsweise die Achsdrehmomentanforderung 256 eine von einem Traktionssteuerungssystem angeforderte Drehmomentreduzierung beinhalten, wenn positiver Radschlupf erfasst wird. Positiver Radschlupf tritt auf, wenn das Achsdrehmoment die Reibung zwischen den Rädern und der Straßenoberfläche überwindet und die Räder auf der Straßenoberfläche zu rutschen beginnen. Die Achsen-Drehmomentanforderungen 256 können auch eine Drehmomenterhöhungsanforderung beinhalten, um negativem Radschlupf entgegenzuwirken, der auftritt, wenn ein Reifen des Fahrzeugs im Verhältnis zur Straßenoberfläche in Gegenrichtung rutscht, weil das Achsdrehmoment negativ ist.
  • Die Achsdrehmomentanforderung 256 kann auch Bremsmanagementanforderungen und Fahrzeugübergeschwindigkeits-Drehmomentanforderungen beinhalten. Bremsmanagementanforderungen können das Achsdrehmoment verringern, um zu gewährleisten, dass das Achsdrehmoment nicht die Fähigkeit der Bremsen zum Anhalten des Fahrzeugs überschreitet, wenn das Fahrzeug stoppt. Fahrzeugübergeschwindigkeits-Drehmomentanforderungen können das Achsdrehmoment verringern, um zu verhindern, dass das Fahrzeug eine vorbestimmte Geschwindigkeit überschreitet. Die Achsdrehmomentanforderungen 256 können auch von Fahrzeug-Stabilitätskontrollsystemen generiert werden.
  • Das Achsdrehmoment-Arbitriermodul 204 gibt eine vorhergesagte Drehmomentanforderung 257 und eine momentane Drehmomentanforderung 258 basierend auf dem Ergebnis der Arbitrierung zwischen den empfangenen Drehmomentanforderungen 254 und 256 aus. Wie nachfolgend beschrieben, können die vorhergesagten und momentanen Drehmomentanforderungen 257 und 258 vom Achsdrehmoment-Arbitriermodul 204 selektiv von anderen Modulen des ECM 114 angepasst werden, bevor sie zur Steuerung der Motorstellglieder zur Anwendung kommen.
  • Im Allgemeinen kann die momentane Drehmomentanforderung 258 eine Menge des momentan erwünschten Achsdrehmoments sein, während die vorhergesagte Drehmomentanforderung 257 eine Menge des Achsdrehmoments sein kann, das in Kürze erforderlich ist. Das ECM 114 steuert das Motorsystem 100 zur Erzeugung eines Achsdrehmoments gleich der momentanen Drehmomentanforderung 258. Verschiedene Sollwertkombinationen können jedoch das gleiche Achsdrehmoment zur Folge haben. Das ECM 114 kann daher die Sollwerte anpassen, um einen schnelleren Übergang zu der vorhergesagten Drehmomentanforderung 257 zu ermöglichen, unter Beibehaltung des Achsdrehmoments an der momentanen Drehmomentanforderung 258.
  • In verschiedenen Implementierungen kann die vorhergesagte Drehmomentanforderung 257 basierend auf der Fahrerdrehmomentanforderung 254 festgelegt werden. Die momentane Drehmomentanforderung 258 kann unter gewissen Umständen niedriger als die vorhergesagte Drehmomentanforderung 257 festgelegt werden, wenn beispielsweise die Fahrerdrehmomentanforderung 254 Radschlupf auf einer vereisten Fläche verursacht. In derartigen Fällen kann ein Traktionskontrollsystem (nicht dargestellt) eine Verringerung über die momentane Drehmomentanforderung 258 anfordern, und das ECM 114 reduziert das Motorausgangsdrehmoment auf die momentane Drehmomentanforderung 258. Das ECM 114 führt jedoch die Reduktion aus, sodass das Motorsystem 100 schnell weiter die vorhergesagte Drehmomentanforderung 257 erzeugen kann, sobald der Radschlupf aufhört.
  • Im Allgemeinen kann der Unterschied zwischen der momentanen Drehmomentanforderung 258 und der (im Allgemeinen höheren) vorausgesagten Drehmomentanforderung 257 als Drehmomentreserve bezeichnet werden. Die Drehmomentreserve kann die Menge an zusätzlichem Drehmoment (über der momentanen Drehmomentanforderung 258) darstellen, dessen Erzeugung das Motorsystem 100 mit minimaler Verzögerung beginnen kann. Schnelle Motorstellglieder kommen zur Anwendung, um das gegenwärtige Achsdrehmoment mit minimaler Verzögerung zu erhöhen oder zu senken. Schnelle Motorstellglieder werden im Gegensatz zu langsamen Motorstellgliedern definiert.
  • Im Allgemeinen können schnelle Motorstellglieder das Achsdrehmoment schneller ändern als langsame Motorstellglieder. Langsame Stellantriebe können langsamer auf Änderungen ihrer jeweiligen Sollwerte reagieren als schnelle Stellantriebe. So kann beispielsweise ein langsames Stellantrieb mechanische Komponenten beinhalten, die Zeit brauchen, um in Reaktion auf eine Sollwertänderung von einer Stellung in eine andere zu wechseln. Ein langsamer Stellantrieb kann auch durch die Zeitdauer gekennzeichnet werden, die das Achsdrehmoment braucht, um sich zu ändern, nachdem das langsame Stellantrieb mit der Umsetzung des geänderten Sollwerts begonnen hat. Diese Zeitdauer ist bei langsamen Stellantrieben im Allgemeinen länger als bei schnellen Stellantrieben. Außerdem kann es auch nach Beginn des Änderungsvorgangs länger dauern, bis das Achsdrehmoment vollständig auf die Änderung des langsamen Stellantriebs reagiert hat.
  • Nur als Beispiel kann das Zündstellgliedmodul 126 ein schnelles Stellantrieb sein. Fremdzündende Motoren können Kraftstoffe, wie beispielsweise Benzin und Äthanol verbrennen, die mittels Funken gezündet werden. Im Gegensatz dazu kann das Drosselstellgliedmodul 116 ein langsames Stellantrieb sein.
  • So kann beispielsweise das Zündstellgliedmodul 126 den Zündzeitpunkt für eine nächste Zündung variieren, wenn der Zündzeitpunkt zwischen einer letzten und der nächsten Zündung geändert wird. Im Gegensatz dazu kann es länger dauern, bis sich Änderungen der Drosselöffnung auf das Motorausgangsdrehmoment auswirken. Das Drosselstellgliedmodul 116 ändert die Öffnung der Drossel durch Einstellen des Winkels des Flügels des Drosselventils 112. Daher bewegt sich bei Änderung des Sollwerts für die Öffnung des Drosselventils 112 das Drosselventil 112 mit mechanischer Verzögerung von seiner vorherigen Stellung in eine neue Stellung in Reaktion auf die Änderung. Außerdem sind Luftstromänderungen basierend auf der Drosselöffnung abhängig von Verzögerungen des Luftstroms in dem Ansaugkrümmer 110. Ferner macht sich der erhöhte Luftstrom im Ansaugkrümmer 110 erst als Erhöhung des Motorausgangsdrehmoments bemerkbar, wenn der Zylinder 118 im nächsten Einlasstakt zusätzliche Luft empfängt, diese komprimiert und der Verbrennungstakt beginnt.
  • Mit diesen Stellgliedern als Beispiel kann eine Drehmomentreserve aufgebaut werden, indem die Drosselöffnung auf einen Wert eingestellt wird, der dem Motor 102 ermöglicht, die vorausgesagte Drehmomentanforderung 257 zu erzeugen. Zwischenzeitlich kann der Zündzeitpunkt basierend auf der momentanen Drehmomentanforderung 258 eingestellt werden, die unter der vorhergesagten Drehmomentanforderung 257 liegt. Obwohl die Drosselöffnung ausreichend Luftstrom für den Motor 102 generiert, um die vorhergesagte Drehmomentanforderung 257 zu erzeugen, wird der Zündzeitpunkt basierend auf der momentanen Drehmomentanforderung 258 verzögert (und damit das Drehmoment verringert). Das Motorausgangsdrehmoment ist daher gleich der momentanen Drehmomentanforderung 258.
  • Wenn zusätzliches Drehmoment erforderlich ist, kann der Zündzeitpunkt basierend auf der vorhergesagten Drehmomentanforderung 257 oder einem Drehmoment zwischen der vorhergesagten und momentanen Drehmomentanforderung 257 bzw. 258 eingestellt werden. Am folgenden Zündzeitpunkt kann das Zündstellglied 126 den Zündzeitpunkt auf einen optimalen Wert zurückstellen, was dem Motor 102 ermöglicht, das volle Motorausgangsdrehmoment zu erzeugen, das mit dem vorhandenen Luftstrom möglich ist. Das Motorausgangsdrehmoment kann daher rasch auf die vorhergesagte Drehmomentanforderung 257 erhöht werden, ohne Verzögerungen durch die Änderung der Drosselöffnung zu erfahren.
  • Das Achsdrehmoment-Arbitriermodul 204 kann die vorhergesagte Drehmomentanforderung 257 und die momentane Drehmomentanforderung 258 an ein Vortriebsdrehmoment-Arbitriermodul 206 ausgeben. In verschiedenen Implementierungen kann das Achsdrehmoment-Arbitriermodul 204 die vorhergesagte und die momentane Drehmomentanforderung 257 und 258 an das Hybridoptimierungsmodul 208 ausgeben.
  • Das Hybridoptimierungsmodul 208 kann ermitteln, wie viel Drehmoment vom Motor 102 und wie viel Drehmoment vom Elektromotor 198 produziert werden soll. Das Hybridoptimierungsmodul 208 gibt dann geänderte vorhergesagte und momentane Drehmomentanforderungen 259 bzw. 260 an das Vortriebsdrehmoment-Arbitriermodul 206 aus. In verschiedenen Implementierungen kann das Hybridoptimierungsmodul 208 im Hybridsteuermodul 196 implementiert sein.
  • Die vom Vortriebsdrehmoment-Arbitriermodul 206 empfangenen vorhergesagten und momentanen Drehmomentanforderungen werden aus einem Achsdrehmomentbereich (Drehmoment an den Rädern) in einen Vortriebsdrehmomentbereich (Drehmoment an der Kurbelwelle) umgewandelt. Diese Umwandlung kann vor, nach, als Teil vom oder anstatt des Hybridoptimierungsmodul(s) 208 erfolgen.
  • Das Vortriebsdrehmoment-Arbitriermodul 206 arbitriert zwischen Vortriebsdrehmomentanforderungen 290, einschließlich der umgewandelten vorhergesagten und momentanen Drehmomentanforderungen. Das Vortriebsdrehmoment-Arbitriermodul 206 generiert eine arbitrierte vorhergesagte Drehmomentanforderungen 261 und eine arbitrierte momentane Drehmomentanforderung 262. Die arbitrierten Drehmomentanforderungen 261 und 262 können durch Auswählen einer vorrangigen Drehmomentanforderung aus empfangenen Drehmomentanforderungen generiert werden. Alternativ oder zusätzlich können die arbitrierten Drehmomentanforderungen durch Änderung einer der empfangenen Anforderungen basierend auf einer oder mehreren empfangenen Drehmomentanforderungen generiert werden.
  • So können beispielsweise die Vortriebsdrehmomentanforderungen 290 Drehmomentsenkungen zum Schutz vor Motorüberdrehzahlen, Drehmomentsteigerungen zur Blockierverhinderung und vom Getriebesteuermodul 194 zur Anpassung der Gangwechsel angeforderte Drehmomentsenkungen beinhalten. Die Vortriebsdrehmomentanforderungen 290 können auch ein Ergebnis einer Kupplungs-Kraftstoffabschaltung sein, die das Motorausgangsdrehmoment reduziert, um einen Anstieg der Motordrehzahl zu verhindern, wenn der Fahrer in einem Fahrzeug mit Handschaltung das Kupplungspedal betätigt.
  • Die Vortriebsdrehmomentanforderungen 290 können auch eine Motorabschaltanforderung beinhalten, die bei Erfassung eines kritischen Fehlers initiiert wird. Nur als Beispiel können kritische Fehler die Feststellung eines Fahrzeugdiebstahls, festsitzenden Anlassermotors, elektronischer Drosselsteuerprobleme und unerwartete Drehmomentsteigerungen beinhalten. In verschiedenen Implementierungen wird die Motorabschaltanforderung als vorrangige Anforderung gewählt, wenn eine Motorabschaltanforderung vorhanden ist. Wenn die Motorabschaltanforderung vorhanden ist, kann das Vortriebsdrehmoment-Arbitriermodul 206 null als die arbitiriterte vorhergesagte und momentane Drehmomentanforderung 261 und 262 ausgeben.
  • In verschiedenen Implementierungen kann eine Motorabschaltanforderung einfach den Motor 102 getrennt vom Arbitierprozess abschalten. Das Vortriebsdrehmoment-Arbitriermodul 206 kann immer noch die Motorabschaltanforderung erhalten, sodass beispielsweise geeignete Daten als Feedback an andere Drehmomentanforderer gesendet werden können. So können beispielsweise alle anderen Drehmomentanforderer informiert werden, dass sie in der Arbitrierung als nachrangig eingestuft wurden.
  • Das Reserve-/Lastmodul 220 empfängt die arbitrierten vorhergesagten und momentanen Drehmomentanforderungen 261 und 262. Das Reserve-/Lastmodul 220 kann die arbitrierten vorausgesagten und momentanen Drehmomentanforderungen 261 und 262 anpassen, um eine Drehmomentreserve zu schaffen und/oder eine oder mehrere Lasten zu kompensieren. Das Reserve-/Lastmodul 220 gibt dann die angepassten vorhergesagten und momentanen Drehmomentanforderungen 263 und 264 an das Drehmoment-Anforderungsmodul 224 aus.
  • Nur als Beispiel kann ein Katalysator-Zündprozess oder ein Kaltstart-Emissionsreduktionsprozess einen verzögerten Zündzeitpunkt erfordern. Das Reserve-/Lastmodul 220 kann daher die angepasste vorhergesagte Drehmomentanforderung 263 über die angepasste momentane Drehmomentanforderung 264 hinaus erhöhen, um den Zündzeitpunkt für den Kaltstart-Emissionsreduktionsprozess zu verzögern. In einem anderen Beispiel kann das Kraftstoff/Luft-Verhältnis des Motors und/oder der Luft-Massendurchsatz direkt verändert werden, wie durch intrusive Diagnoseäquivalenzverhältnistests und/oder Neumotorentleerung. Vor Beginn dieser Verfahren kann eine Drehmomentreserve aufgebaut oder erhöht werden, um rasch Senkungen des Motorausgangsdrehmoments auszugleichen, die durch die Streckung des Kraftstoff-/Luftgemischs während dieser Prozesse verursacht werden.
  • Das Reserve-/Lastmodul 220 kann auch eine Drehmomentreserve in Erwartung einer zukünftigen Last aufbauen und erhöhen, wie die Funktion einer Servolenkungspumpe oder die Ineingriffnahme einer Klima (A/C)-Kompressorkupplung. Die Reserve für die Ineingriffnahme der A/C-Kompressorkupplung kann aufgebaut werden, wenn der Fahrer die Klimaanlage zunächst einschaltet. Das Reserve-/Lastmodul 220 kann die angepasste vorhergesagte Drehmomentanforderung 263 erhöhen, um die Drehmomentreserve zu erzeugen, während es die angepasste momentane Drehmomentanforderung 264 unverändert lässt. Wenn dann die A/C-Kompressorkupplung in Eingriff genommen wird, kann das Reserve-/Lastmodul 220 die angepasste momentane Drehmomentanforderung 264 um die geschätzte Belastung der A/C-Kompressorkupplung erhöhen.
  • Das Drehmoment-Anforderungsmodul 224 empfängt die angepasste vorhergesagte und momentane Drehmomentanforderung 263 und 264. Das Drehmoment-Anforderungsmodul 224 ermittelt, wie die angepassten vorhergesagten und momentanen Drehmomentanforderungen 263 und 264 erreicht werden. Das Drehmoment-Anforderungsmodul 224 kann motortypspezifisch sein. So kann beispielsweise das Drehmoment-Anforderungsmodul 224 auf verschiedene Weise implementiert werden oder in fremdzündenden Motoren andere Steuermechanismen verwenden als in selbstzündenden Motoren.
  • In verschiedenen Implementierungen kann das Drehmoment-Anforderungsmodul 224 eine Grenze zwischen motortypspezifischen Modulen und Modulen, die allen Motortypen gemeinsam sind, festlegen. So können beispielsweise die Motortypen Fremdzünder und Selbstzünder beinhalten. Module vor dem Drehmoment-Anforderungsmodul 224, wie das Vortriebsdrehmoment-Arbitriermodul 206, können bestimmten Motortypen gemeinsam sein, während das Drehmoment-Anforderungsmodul 224 und folgende Module motortypspezifisch sein können.
  • Das Drehmoment-Anforderungsmodul 224 ermittelt eine Luftdrehmoment-Anforderung 265 basierend auf den angepassten vorhergesagten und momentanen Drehmomentanforderungen 263 und 264. Die Luftdrehmoment-Anforderung 265 kann ein Bremsmoment sein. Das Bremsmoment kann als das Drehmoment an der Kurbelwelle unter den aktuellen Betriebsbedingungen bezeichnet werden.
  • Sollwerte zur Luftstromsteuerung der Motorstellglieder werden basierend auf der Luftdrehmoment-Anforderung 265 ermittelt. Insbesondere ermittelt das Luftsteuermodul 228 basierend auf der Luftdrehmomentanforderung 265 einen Ladedruckregelventil-Sollöffnungsquerschnitt 266, einen Drossel-Sollöffnungsquerschnitt 267, einen AGR-Sollöffnungsquerschnitt 268, einen Phasenversteller-Sollwinkel 269 für Einlassnocken und einen Phasenversteller-Sollwinkel 270 für Auslassnocken. Das Luftsteuermodul 228 ermittelt den Ladedruckregelventil-Sollöffnungsquerschnitt 266, den Drossel-Sollöffnungsquerschnitt 267, den AGR-Sollöffnungsquerschnitt 268, den Phasenversteller-Sollwinkel 269 für Einlassnocken und den Phasenversteller-Sollwinkel 270 für Auslassnocken unter Verwendung von modellprädikativer Steuerung, wie weiter unten noch erörtert wird.
  • Das Ladedruckstellgliedmodul 164 steuert das Ladedruckregelventil 162, um den Ladedruckregelventil-Sollöffnungsquerschnitt 266 zu erreichen. So kann beispielsweise ein erstes Umwandlungsmodul 272 den Ladedruckregelventil-Sollöffnungsquerschnitt 266 in einen Sollarbeitszyklus 274 umwandeln, der für das Ladedruckregelventil 162 angewendet wird, und das Ladedruckstellgliedmodul 164 kann ein Signal an das Ladedruckregelventil 162 basierend auf dem Sollarbeitszyklus 274 ausgeben. In verschiedenen Implementierungen kann das erste Umwandlungsmodul 272 den Ladedruckregelventil-Sollöffnungsquerschnitt 266 in eine Ladedruckregelventil-Sollposition (nicht dargestellt) und die Ladedruckregelventil-Sollposition in den Arbeitszyklus Sollarbeitszyklus 274 umwandeln.
  • Das Drosselstellgliedmodul 116 steuert das Drosselventil 112 so, dass der Drosselöffnungs-Sollquerschnitt 267 erreicht wird. So kann beispielsweise ein zweites Umwandlungsmodul 276 den Drossel-Sollöffnungsquerschnitt 267 in einen Sollarbeitszyklus 278 umwandeln, der für das Drosselventil 112 angewendet wird, und das Drossel-Stellgliedmodul 116 kann ein Signal an das Drosselventil 112 ausgeben, das auf dem Sollarbeitszyklus 278 basiert. In verschiedenen Implementierungen kann das zweite Umwandlungsmodul 276 den Drossel-Sollöffnungsquerschnitt 267 in eine Drossel-Sollstellung (nicht dargestellt) und die Drosselventil-Sollstellung in den Sollarbeitszyklus 278 umwandeln.
  • Das AGR-Stellantriebsmodul 172 steuert das AGR-Ventil 170 so, dass der AGR-Sollöffnungsquerschnitt 268 erreicht wird. So kann beispielsweise ein drittes Umwandlungsmodul 280 den AGR-Sollöffnungsquerschnitt 268 in einen Sollarbeitszyklus 282 umwandeln, der an dem AGR-Ventil 170 zur Anwendung kommt, und das AGR-Stellantriebsmodul 172 kann ein Signal an das AGR-Ventil 170 basierend auf dem Sollarbeitszyklus 282 ausgeben. In verschiedenen Implementierungen kann das dritte Umwandlungsmodul 280 den AGR-Sollöffnungsquerschnitt 268 in eine AGR-Sollstellung (nicht dargestellt) und die AGR-Sollstellung in den Sollarbeitszyklus 282 umwandeln.
  • Das Phasenversteller-Stellgliedmodul 158 steuert den Einlassnocken-Phasenversteller 148 zum Einstellen des Einlassnocken-Sollphasenverstellerwinkels 269. Das Phasenversteller-Stellgliedmodul 158 steuert auch den Auslassnocken-Phasenversteller 150 zum Erreichen des Auslassnocken-Soll-Phasenverstellerwinkels 270. In verschiedenen Implementierungen kann ein viertes Umwandlungsmodul (nicht dargestellt) beinhaltet sein und den Soll-Einlass- und Auslassnocken-Phasenverstellerwinkel in Soll-Einlass- und Auslassarbeitszyklen umwandeln. Das Phasenversteller-Stellantriebsmodul 158 kann die Einlass- und Auslass-Sollarbeitszyklen an die Einlass- und Auslassnocken-Phasenversteller 148 bzw. 150 ausgeben. In verschiedenen Implementierungen kann das Luftsteuermodul 228 einen Sollüberschneidungsfaktor und einen effektiven Sollhubraum ermitteln, und das Phasenversteller-Stellantriebsmodul 158 kann die Einlass- und Auslassnocken-Phasenversteller 148 und 150 so steuern, dass der Sollüberschneidungsfaktor und der effektive Sollhubraum erreicht werden.
  • Das Drehmomentanforderungsmodul 224 kann auch eine Zünddrehmomentanforderung 283, eine Zylinderabstellanforderung 284 und eine Kraftstoffdrehmomentanforderung 285 basierend auf der vorhergesagten und der momentanen Drehmomentanforderung 263 und 264 generieren. Das Zündsteuermodul 232 kann basierend auf der Zünddrehmomentanforderung 283 die Verzögerung des Zündzeitpunkts von einem optimalen Zündzeitpunkt ermitteln (die das Motorausgangsdrehmoment reduziert). Nur zum Beispiel kann ein Drehmomentverhältnis umgekehrt werden, um einen Sollzündzeitpunkt 286 zu erreichen. Für eine gegebene Drehmomentanforderung (TReq) kann der Sollzündzeitpunkt (ST) 286 mit folgenden Werten ermittelt werden: S T = ƒ − 1 ( T R e q , A P C , I , E , A F , O T , # ) ,
    Figure DE102018114336B4_0001
    wobei APC ein Luft-pro-Zylinder, I ein Einlassventilverstellwert, E ein Auslassventilverstellwert, AF ein Kraftstoff-/Luftverhältnis, OT eine Öltemperatur und # die Anzahl der aktivierten Zylinder ist. Diese Beziehung kann in einer Gleichung und/oder Nachschlagetabelle dargestellt werden. Das Kraftstoff-/Luftverhältnis (AF) kann das gegenwärtige, vom Kraftstoffsteuermodul 240 angezeigte Kraftstoff-/Luftverhältnis sein.
  • Wenn der Zündzeitpunkt auf den optimalen Zündzeitpunkt gesetzt ist, kann das daraus resultierende Drehmoment so nahe wie möglich an eine minimale Frühzündung gesetzt werden, um das beste Drehmoment (MBT-Zündzeitpunkt) zu erzielen. Das beste Drehmoment bezieht sich auf das maximale Motorausgangsdrehmoment, das für einen gegebenen Luftstrom generiert wird, wenn der Zündzeitpunkt vorverlegt wird, während der Verwendung von Kraftstoff mit einer höheren Oktanzahl als eine vorbestimmte Oktanzahl und der Verwendung von stöchiometrischem Kraftstoff. Der Zündzeitpunkt, bei dem dies am ehesten auftritt, wird als MBT-Zündzeitpunkt bezeichnet. Der optimale Zündzeitpunkt kann sich beispielsweise aufgrund von inkonstanter Kraftstoffqualität (Verwendung von Kraftstoff mit niedrigerer Oktanzahl) und Umweltfaktoren, wie z. B. Luftfeuchtigkeit, leicht vom MBT-Zündzeitpunkt unterscheiden. Das Motorausgangsdrehmoment beim optimalen Zündzeitpunkt kann daher niedriger als das MBT sein. Nur als Beispiel kann eine Tabelle mit optimalen Zündzeitpunkten, die mit bestimmten Motorbetriebsbedingungen einhergehen, während einer Kalibrierphase des Fahrzeugdesigns aufgestellt werden, und der optimale Wert wird aus der Tabelle basierend auf den gegenwärtigen Betriebsbedingungen ermittelt.
  • Die Zylinderabstell-Drehmomentanforderung 284 kann von dem Zylindersteuermodul 236 verwendet werden, um eine Sollanzahl von Zylindern zu ermitteln, um 287 zu deaktivieren. In verschiedenen Implementierungen kann zur Aktivierung eine Sollanzahl von Zylindern verwendet werden. Das Zylinderstellgliedmodul 120 aktiviert und deaktiviert die Ventile des Zylinders selektiv basierend auf der Sollanzahl 287.
  • Das Zylindersteuermodul 236 kann auch das Kraftstoffsteuermodul 240 anweisen, die Bereitstellung von Kraftstoff einzustellen zur Deaktivierung der Zylinder und kann das Zündsteuermodul 232 anweisen, die Bereitstellung von Zündung einzustellen zur Deaktivierung der Zylinder. Das Zündsteuermodul 232 kann die Bereitstellung von Zündung an einen Zylinder einstellen, wenn ein Kraftstoff-/Luftgemisch, das bereits im Zylinder vorhanden ist, verbrannt wurde.
  • Das Kraftstoffsteuermodul 240 kann die Kraftstoffmenge, die jedem Zylinder bereitgestellt wird, basierend auf der Kraftstoffdrehmomentanforderung 285 variieren. Insbesondere kann das Kraftstoffsteuermodul 240 Kraftstoffzufuhr-Sollparameter 288 basierend auf der Kraftstoffdrehmomentanforderung 285 generieren. Die Kraftstoffzufuhr-Sollparameter 288 können beispielsweise die Kraftstoffsollmasse, den Einspritzstart-Sollzeitpunkt und die Sollanzahl von Kraftstoffeinspritzungen beinhalten.
  • Im Normalbetrieb kann das Kraftstoffsteuermodul 240 in einem luftbestimmten Modus arbeiten, in dem das Kraftstoffsteuermodul 240 bestrebt ist, ein stöchiometrisches Kraftstoff-/Luftverhältnis aufrechtzuerhalten, indem es die Kraftstoffzufuhr basierend auf dem Luftstrom steuert. So kann beispielsweise das Kraftstoffsteuermodul 240 eine Sollluftmasse ermitteln, bei der eine stöchiometrische Verbrennung erfolgt, wenn sie mit einer gegenwärtigen Luftmasse pro Zylinder (APC) kombiniert wird.
  • 3 ist ein Funktionsblockdiagramm einer beispielhaften Implementierung des Luftsteuermoduls 228. Unter Bezugnahme auf die 2 und 3, wie oben erörtert, kann die Luftdrehmomentanforderung 265 ein Bremsmoment sein. Ein Drehmoment-Umwandlungsmodul 304 wandelt die Luftdrehmoment-Anforderung 265 von Bremsmoment in Basismoment um. Die aus der Umwandlung in Basismoment resultierende Drehmomentanforderung wird hierin als Basis-Luftdrehmomentanforderung 308 bezeichnet.
  • Basismomente können sich als das an der Kurbelwelle während des Motorbetriebs 102 mit einem Drehmomentmesser erhobene Drehmoment bezeichnet werden, während der Motor 102 warm ist und der Motor 102 nicht unter Drehmomentlasten durch Zubehör, wie eine Lichtmaschine oder einen A/C-Kompressor, steht. Das Drehmoment-Umwandlungsmodul 304 kann die Luftdrehmoment-Anforderung 265 in die Basis-Luftdrehmoment-Anforderung 308 umwandeln, beispielsweise unter Verwendung von Zuordnung oder einer Funktion, die Bremsmomente Basismomenten zuordnet. In verschiedenen Implementierungen kann das Drehmoment-Umwandlungsmodul 304 die Luftdrehmoment-Anforderung 265 in einen anderen passenden Drehmomenttyp, wie z. B. ein indiziertes Drehmoment, umwandeln. Ein indiziertes Drehmoment kann als ein Drehmoment an der Kurbelwelle bezeichnet werden, das auf der bei der Verbrennung in den Zylindern geleisteten Arbeit beruht.
  • Ein MPC-Modul 312 erzeugt die Sollwerte 266-270, um die Basisluftdrehmomentanforderung 308 unter Verwendung von MPC (modellprädiktive Steuerung) zu erreichen. Das MPC-Modul 312 beinhaltet ein Zustandsschätzmodul 316 und ein Optimierungsmodul 320.
  • Das Zustandsschätzmodul 316 bestimmt Zustände für einen Regelkreis basierend auf einem mathematischen Modell des Motors 102, die Zustände des Motors aus einem vorherigen (z. B. letzten) Regelkreis und die Sollwerte 266-270 aus dem vorherigen Regelkreis. So kann beispielsweise das Zustandsschätzmodul 316 die Zustände für einen Regelkreis basierend auf den Beziehungen bestimmen: x ( k ) = A x ( k − 1 ) + B u ( k − 1 ) + B v v ( k − 1 ) ; und
    Figure DE102018114336B4_0002
     y ( k ) = C x ( k ) ,
    Figure DE102018114336B4_0003
    wobei k eine k-te Regelschleife ist, x(k) ein Vektor mit Einträgen ist, die Zustände des Motors 102 für die k-te Regelschleife anzeigen, x(k - 1) der Vektor x(k) aus der k - 1-ten Regelschleife ist, A eine Matrix mit konstanten Werten ist, die basierend auf den Eigenschaften des Motors 102 kalibriert sind, B eine Matrix mit konstanten Werten ist, die basierend auf den Eigenschaften des Motors 102 kalibriert sind, u(k- 1) ein Vektor mit Einträgen für die Sollwerte 266-270 ist, die während des letzten Regelkreises verwendet wurden, y(k) eine lineare Kombination des Vektors x(k) ist, C eine Matrix mit konstanten Werten ist, die basierend auf den Eigenschaften des Motors 102 kalibriert wurden, Bv eine Matrix mit konstanten Werten ist, die basierend auf den Eigenschaften des Motors kalibriert wurden, und v eine Matrix mit gemessenen Störeinflüssen ist. Das gemessene Störungsmodell beinhaltet Parameter, die das Motorverhalten beeinflussen, jedoch nicht direkt manipulierbar sind, wie beispielsweise Umgebungsdruck und/oder Temperatur. Einer oder mehrere der Zustandsparameter können basierend auf gemessenen oder geschätzten Werten dieser Parameter eingestellt werden, die gemeinsam durch Rückmeldeeingänge 330 veranschaulicht werden. Das Zustandsschätzmodul 316 kann die Zustände zum Beispiel mit einem Kalman-Filter oder einer anderen geeigneten Art von Zustandsschätzer bestimmen.
  • Die durch das MPC-Modul 312 ausgeführten Funktionen können allgemein wie folgt beschrieben werden. Für k = 1, ..., N, N ist in ganzen Zahlen größer als eins, ausführen:
    • (1) Verwenden der vorstehenden Gleichungen und der Rückmeldeeingänge 330, um Schätzungen der Zustände des Motors 102 zum Zeitpunkt kzu erhalten;
    • (2) Berechnen von optimalen Werten für die Sollwerte 266-270 für den Zeitpunkt k zum Minimieren einer Kostenfunktion während der Zeitspanne vom Zeitpunkt k bis zum zukünftigen Zeitpunkt k + p; und
    • (3) Einstellen der Sollwerte 266-270 auf die berechneten optimalen Werte nur für den Zeitpunkt k + 1. Dann zurück zu (1) für den nächsten Regelkreis.
  • Die Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten k und k + p bezieht sich auf einen Vorhersagehorizont.
  • Die Kostenfunktion ist das Leistungskriterium, das in dem über den Vorhersagehorizont definierten optimalen Steuerungsproblem bei jedem Regelkreis zu minimieren ist. Diese Funktion spiegelt die gewünschten Steuerungsziele wider. Es kann beispielsweise die Summe verschiedener Begriffe sein, die Trackingfehlern entsprechen, zum Beispiel Σi |(u(i) - uref(i))|2, für die manipulierten Variablen, um einige Referenzpositionen zu verfolgen, Σi |(y(i) - yref(i))|2, für die gesteuerten Variablen, um einige gewünschte Sollwerte zu verfolgen, Steueraufwand, zum Beispiel Σi |(u(i))|2 oder Σi |(Δu(i))|2, und ein Strafbegriff für Einschränkungsverletzungen. Im Allgemeinen hängt die Kostenfunktion von den Stellgrößen u, den Änderungen der Stellgrößen aus dem letzten Regelkreis Δu, den Regelgrößen y und der Einschränkungsverletzungs-Strafvariablen ∈. ab. Die Sollwerte 266-270 können als Stellgrößen bezeichnet werden und werden durch die Variable u bezeichnet. Vorhergesagte Parameter können als Regelgrößen bezeichnet und durch die Variable y bezeichnet werden.
  • Ein Stellgliedeinschränkungsmodul 360 (2) setzt die Stellgliedeinschränkungen 348 für jeden der Sollwerte 266-270. So kann beispielsweise das Stellgliedeinschränkungsmodul 360 eine Stellgliedeinschränkung für das Drosselventil 112, Stellgliedeinschränkungen für das AGR-Ventil 170, Stellgliedeinschränkungen für das Ladedrucksteuerventil 162, Stellgliedeinschränkungen für den Einlassnockenversteller 148 und Stellgliedeinschränkungen für den Auslassnockenversteller 150 setzen.
  • Die Stellgliedeinschränkungen 348 für die Sollwerte 266-270 können einen Maximalwert für einen verbundenen Sollwert und einen Mindestwert für diesen Sollwert beinhalten. Das Stellgliedeinschränkungsmodul 360 kann die Stellgliedeinschränkungen 348 im Allgemeinen für die verbundenen Stellglieder auf eine im Voraus ermittelte Betriebsbereiche setzen. Insbesondere kann das Stellgliedeinschränkungsmodul 360 die Stellgliedeinschränkungen 348 im Allgemeinen auf im Voraus ermittelte Betriebsbereiche jeweils für das Drosselventil 112, das AGR-Ventil 170, das Ladedruckregelventil 162, den Einlassnocken-Phasenversteller 148 und den Auslassnocken-Phasenversteller 150 setzen. Das Stellgliedeinschränkungsmodul 360 kann jedoch eine oder mehrere Stellgliedeinschränkungen 348 unter bestimmten Umständen selektiv anpassen.
  • Ein Ausgabeeinschränkungsmodul 364 (2) kann Ausgangseinschränkungen 352 für die Regelgrößen (y) setzen. Die Ausgabeeinschränkungen 352 für die Regelgrößen können einen Maximalwert für diese Regelgröße und einen Minimalwert für diese Regelgröße beinhalten. Das Ausgabeeinschränkungsmodul 364 kann im Allgemeinen die jeweiligen Ausgabeeinschränkungen 352 auf vorbestimmte Bereiche für die verbundenen Regelgrößen setzen. Das Ausgabeeinschränkungsmodul 364 kann jedoch eine oder mehrere Ausgabeeinschränkungen 352 unter bestimmten Voraussetzungen variieren.
  • Ein Referenzmodul 368 (2) erzeugt die Referenzwerte 356 für die jeweiligen Sollwerte 266-270. Die Referenzwerte 356 beinhalten eine Referenz für jeden der Sollwerte 266-270. Mit anderen Worten beinhalten die Referenzwerte 356 eine Referenz für den Ladedruckregelventil-Öffnungsquerschnitt, eine Referenz für den Drossel-Öffnungsquerschnitt, eine Referenz für den AGR-Ventil-Öffnungsquerschnitt, eine Referenz für den Einlassnocken-Phasenverstellerwinkel und eine Referenz für den Auslassnocken-Phasenverstellerwinkel. Das Referenzmodul 368 kann die Referenzwerte 356 beispielsweise ausgehend von der Luftdrehmomentanforderung 265, der Basisdrehmomentanforderung 308 und/oder einem oder mehreren passenden Parametern ermitteln.
  • Das Optimierungsmodul 320 ermittelt die Sollwerte 266-270 unter Verwendung eines Dantzig-Lösers für quadratische Programme (QP). Ein QP-Löser löst ein Optimierungsproblem mit einer quadratischen Kostenfunktion unter Ungleichheitseinschränkungen. Wenn beispielsweise der Vektor x = ℝ n
    Figure DE102018114336B4_0004
    einige Optimierungsvariablen repräsentiert, können quadratische Funktionen von x in die folgende Form gebracht werden: 1 2 x T Q x − h T x + C o n s t a n t ,
    Figure DE102018114336B4_0005
    wobei Q eine n × n konstante symmetrische positive definitive Matrix ist, Constant ein konstanter Wert ist, und wobei x die Stellgliedposition über einem Vorhersagehorizont ist. Wenn beispielsweise angenommen wird, dass ein System mit einem Drosselklappen-, Ladedruckregelventil-, Auslassnockenwellen- und Einlassnockenwellenstellglied und einem Steuerhorizont von 3 zum Zeitpunkt k aufweist, dann weist der Vektor x eine Größe von 12 auf. Der Drosselklappenstellglied, Ladedruckregelventil-Stellglied, Auslassnockenwellenstellglied, Einlassnockenwellenstellglied zum Zeitpunkt k + 1 belegen die ersten vier Komponenten, und die gleichen Stellglieder belegen die nächsten vier Komponenten zum zukünftigen Zeitpunkt k + 2, und das Gleiche gilt für den zukünftigen Zeitpunkt k + 3. Insgesamt gibt es, wie vorstehend angegeben, 12 Komponenten zum Vektor x.
  • Das Optimierungsproblem für die modellprädiktive Steuerung (MPC) weist die folgende allgemeine Form zum Minimieren auf: 1 2 x T Q x − h T x ,
    Figure DE102018114336B4_0006
    unter den linearen Einschränkungen C x ≤ d ,
    Figure DE102018114336B4_0007
    wobei h ∈ ℝ n
    Figure DE102018114336B4_0008
    h ein Vektor ist, der für jeden Regelkreis konstant ist, jedoch von Regelkreis zu Regelkreis variieren kann. Lineare Einschränkungen gibt es in Form von C x ≤ b ,
    Figure DE102018114336B4_0009
    wobei C eine konstante Matrix und b ein Vektor ist, der für jeden Regelkreis konstant ist, jedoch von Regelkreis zu Regelkreis variieren kann, und x ∈ ℝ n ,
    Figure DE102018114336B4_0010
     Q ∈ ℝ n × n ,
    Figure DE102018114336B4_0011
     C ∈ ℝ m × n ,
    Figure DE102018114336B4_0012
    und d ∈ ℝ m .
    Figure DE102018114336B4_0013
  • Die Verwendung des hochgestellten T bezeichnet die Nutzung der Transponierung.
  • Das Optimierungsmodul 320 beinhaltet auch eine Logik zum Bestimmen der Stellgliedpositionen, wenn das Optimierungsmodul 320 das MPC-Optimierungsproblem nicht löst. Wenn das Optimierungsmodul 320 das MPC-Optimierungsproblem nicht löst, ignoriert das Optimierungsmodul die linearen Einschränkungen (d. h. ignoriert Cx ≤ d) und verwendet stattdessen Eingabeeinschränkungen. Das heißt, das Optimierungsmodul 320 verwendet die Einschränkungen x, wobei x größer oder kleiner als ein für ein bestimmtes Stellglied spezifischer Wert ist. Wenn beispielsweise das Optimierungsmodul 320 keine MPCoptimierte Lösung für eine Drosselklappen-Stellgliedposition ermittelt und sich das Drosselklappen-Stellglied von 0° - 90° bewegen kann, ermittelt das Optimierungsmodul 320 eine ungehinderte Lösung für die Drosselklappen-Stellgliedposition und klemmt die ungehinderte Lösung dann an die physikalischen Begrenzungen des Drosselklappen-Stellglieds. Das heißt, wenn das Optimierungsmodul 320 die ungehinderte Lösung für die Drosselklappen-Stellgliedposition auf 120° bestimmt, wird die Lösung auf die entsprechende Begrenzung des physikalischen Bereichs des Drosselklappenstellglieds, d. h. 90°, gekürzt. Gleichermaßen, wenn das Optimierungsmodul 320 die ungehinderte Lösung für die Drosselklappen-Stellgliedposition auf -15° feststellt, wird die ungehinderte Lösung auf 0° gekürzt. Im Allgemeinen verwendet das Optimierungsmodul 320 für einen gegebenen Regelkreis und ein gegebenes Stellglied oder mehrere Stellglieder, wenn das Optimierungsmodul 320 das MPC-Optimierungsproblem nicht löst, die uneingeschränkte Lösung, die auf die minimalen oder maximalen Einschränkungen des gegebenen Stellglieds oder mehrerer Stellglieder beschränkt ist.
  • 4 ist ein Flussdiagramm, das ein exemplarisches Verfahren zur Lösung des Optimierungsproblems und zum Bestimmen der Sollwerte 266-270 für einen einzelnen Regelkreis darstellt. Bei 404 iteriert das Optimierungsmodul 320 von der ursprünglichen unbeschränkten Lösung, die bereits aus der einfachsten Lösung von 1 2 x T Q x − h T x ,
    Figure DE102018114336B4_0014
    nämlich Q-1h, verfügbar ist.
  • Bei 408 führt das Optimierungsmodul 320 die MPC-Berechnungen normal aus. Bei 412 ermittelt das Optimierungsmodul 320, ob MPC-Berechnungen fehlgeschlagen sind, um eine Lösung für das MPC-Optimierungsproblem zu erzeugen. Wenn die Lösung des MPC-Optimierungsproblems gefunden wurde, tritt kein Fehler auf, und das Verfahren fährt mit 416 fort, wobei die Lösung des MPC-Optimierungsproblems auf das Stellgliedsystem angewendet wird. Wenn die MPC-Berechnungen jedoch keine Lösung erzeugt haben, fährt das Verfahren mit 418 fort, wobei die ursprüngliche ungehinderte Lösung auf die Eingabeeinschränkungen beschränkt wird. Bei 420 wird die ursprüngliche, unbeschränkte Lösung, die an die Eingabeeinschränkungen geklemmt ist, auf das Antriebssystem angewendet. Es sollte beachtet werden, dass für jeden Regelkreis das Verfahren von 4 angewendet wird. Daher kann es unter Umständen vorkommen, dass die MPC-Lösung nicht für eine unbestimmte Anzahl von Regelkreisen gefunden wird, während unter anderen Umständen die MPC-Lösung während eines einzigen Regelkreises gefunden wird. Obwohl 4 als nach 420 endend dargestellt ist, kann 4 veranschaulichend für einen Regelkreis sein, und Regelkreise können bei einer vorgegebenen Rate in Gang gesetzt werden.
  • Unter Bezugnahme nun auf 5 wird ein Flussdiagramm dargestellt, das ein exemplarisches Verfahren zur Steuerung des Drosselventils 112, des Einlassnocken-Phasenverstellers 148, des Auslassnocken-Phasenverstellers 150, des Ladedruckregelventils 162 (und damit des Turboladers) und des AGR-Ventils 170 unter Verwendung von MPC (modellprädikativer Steuerung) zeigt. Die Steuerung kann bei 504 beginnen, wo das Drehmomentanforderungsmodul 224 die Luftdrehmoment-Anforderung 265 basierend auf den angepassten vorhergesagten und momentanen Drehmomentanforderungen 263 und 264 ermittelt. Bei 508 kann das Drehmoment-Umwandlungsmodul 304 die Luftdrehmoment-Anforderung 265 in die Basis-Luftdrehmoment-Anforderung 308 oder in einen anderen geeigneten Drehmomenttyp zur Verwendung durch das MPC-Modul 312 umwandeln. Bei 512 ermittelt das Zustandsschätzmodul 316 die Zustände des Motors 102 für den aktuellen Regelkreis, wie vorstehend beschrieben. Das Zustandsschätzmodul 316 kann die Zustände zum Beispiel unter Verwendung eines Kalman-Filters ermitteln.
  • Bei 516 löst das Optimierungsmodul 320 das Optimierungsproblem zum Bestimmen der Sollwerte 266-270, wie vorstehend beschrieben. Das Optimierungsmodul 320 bestimmt die Sollwerte 266-270 für den aktuellen Regelkreis aus den jeweiligen Sollwerten 266-270 für den letzten Regelkreis bzw. den Deltawerten von x* bei 520. So bestimmt beispielsweise nur das Optimierungsmodul 320 die Sollwerte 266-270, indem es die Deltawerte von x* mit den Sollwerten 266-270 für den letzten Regelkreis summiert. Weiterhin, wenn bei 516 das Optimierungsmodul 320 den optimalen Wert von x* nicht findet, wird die LQR-Lösung, die auf die Eingabeeinschränkungen für den aktuellen Regelkreis zugeschnitten ist, an 520 gesendet.
  • Bei 528 wandelt das erste Umwandlungsmodul 272 den Ladedruckregelventil-Sollöffnungsbereich 266 in den für das Ladedruckregelventil 162 anzuwendenden Sollarbeitszyklus 274 um, das zweite Umwandlungsmodul 276 wandelt den Drossel-Sollöffnungsbereich 267 in den für das Drosselventil 112 anzuwendenden Sollarbeitszyklus 278 um. Das dritte Umwandlungsmodul 280 wandelt ebenfalls den AGR-Sollöffnungsbereich 268 in den für das AGR-Ventil 170 anzuwendenden Sollarbeitszyklus 282 bei 428 um. Das vierte Umwandlungsmodul kann auch den Einlassnocken- und Auslassnocken-Phasenversteller-Sollwinkel 269 und 270 in den jeweils für die Einlass- und Auslassnocken-Phasenversteller 148 und 150 anzuwendenden Einlass- und Auslass-Sollarbeitszyklus umwandeln.
  • Bei 532 steuert das Drosselstellgliedmodul 116 das Drosselventil 112, um den Drossel-Sollöffnungsbereich 267 zu erzielen, und das Phasenversteller-Stellgliedmodul 158 steuert die Einlass- und Auslassnocken-Phasenversteller 148 und 150, um jeweils die Einlassnocken- und Auslassnocken-Sollphasenverstellerwinkel 269 und 270 zu erzielen. So kann beispielsweise das Drossel-Stellgliedmodul 116 beim Sollarbeitszyklus 278 ein Signal am Drosselventil 112 anwenden, um den Drossel-Sollöffnungsquerschnitt 267 zu erzielen. Ebenfalls bei 532 steuert das AGR-Stellgliedmodul 172 das AGR-Ventil 170, um den AGR-Sollöffnungsbereich 268 zu erreichen, und das Ladedruck-Stellgliedmodul 164 steuert das Ladedruckregelventil 162, um den Ladedruckregelventil-Sollöffnungsbereich 266 zu erreichen. So kann beispielsweise das AGR-Stellgliedmodul 172 beim Sollarbeitszyklus 282 ein Signal am AGR-Ventil 170 anwenden, um den AGR-Sollöffnungsquerschnitt 268 zu erzielen, und das Ladedruck-Stellgliedmodul 164 kann beim Sollarbeitszyklus 274 ein Signal am Ladedruckregelventil 162 anwenden, um den Ladedruckregelventil-Sollöffnungsquerschnitt 266 zu erzielen. Während 5 als Ende nach 532 dargestellt wird, ist 5 veranschaulichend für einen Regelkreis, und Regelkreise können mit einer vorbestimmten Rate ausgeführt werden.
  • Ein modellprädiktives Steuersystem und Verfahren zur Erhöhung der rechnerischen Effizienz der vorliegenden Offenbarung bietet mehrere Vorteile. Diese beinhalten: verbessertes Ansprechverhalten des Motors, reduzierte Rechenzeit zwischen einer Motordrehmomentanforderung und einem Motordrehmomentverhalten, verringertes Spiel im Antriebsstrang, verbesserte NVH-Eigenschaften und Rechenredundanz.
  • Die vorhergehende Beschreibung ist rein illustrativ und soll die vorliegende Offenbarung sowie ihre Ausführungen oder Verwendungen keineswegs einschränken. Die umfassenden Lehren der Offenbarung können in zahlreichen Formen umgesetzt werden. Obwohl die vorliegende Offenbarung also bestimmte Beispiele beinhaltet, ist der eigentliche Umfang der Offenbarung hierdurch in keiner Weise eingeschränkt und weitere Modifikationen gehen aus dem Studium der Zeichnungen, der Beschreibung und den folgenden Patentansprüchen hervor. Der Ausdruck „mindestens A, B oder C“, so wie er hier verwendet wird, bedeutet (A ODER B ODER C), das heißt, es handelt sich um ein nicht-exklusives logisches ODER und bedeutet nicht „mindestens A, mindestens B und mindestens C.“ Es sei darauf hingewiesen, dass einer oder mehrere Schritte innerhalb eines Verfahrens in anderer Reihenfolge (oder gleichzeitig) ausgeführt werden können, ohne die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung zu verändern.
  • In dieser Anwendung kann einschließlich der folgenden Definitionen der Begriff „Modul“ oder der Begriff „Steuerung“ ggf. durch den Begriff „Schaltung“ ersetzt werden. Der Begriff „Modul“ kann auf Folgendes verweisen bzw. Teil von Folgendem sein oder Folgendes beinhalten: einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC); eine digitale, analoge oder gemischt analog/digitale diskrete Schaltung; eine digitale, analoge oder gemischt analog/digitale integrierte Schaltung; eine kombinatorische Logikschaltung; ein feldprogrammierbares Gate-Array (FPGA); eine Prozessorschaltung (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe), die Code ausführt; eine Memory-Schaltung (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe), die einen von der Prozessorschaltung ausgeführten Code speichert; andere geeignete Hardware-Komponenten, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen; oder eine Kombination von einigen oder allen der oben genannten wie zum Beispiel in einem System-on-Chip.
  • Das Modul kann eine oder mehrere Schnittstellenschaltungen beinhalten. In einigen Beispielen können die Schnittstellenschaltungen kabelgebundene oder - lose Schnittstellen beinhalten, die mit einem lokalen Netzwerk (LAN), dem Internet, einem Weitverkehrsnetz (WAN) oder Kombinationen hier aus verbunden sind. Die Funktionalität der in vorliegender Offenbarung genannten Module kann auf mehrere Module verteilt werden, die über Schnittstellenschaltungen verbunden sind. So können zum Beispiel mehrere Module einen Lastenausgleich zulassen. In einem anderen Beispiel können von einem Servermodul (z. B. Remote-Server oder Cloud) ermittelte Funktionen eines Client-Moduls übernommen werden.
  • Der Begriff Code, wie oben verwendet, kann Software, Firmware und/oder Mikrocode beinhalten und auf Programme, Routinen, Funktionen, Klassen, Datenstrukturen und/oder Objekte verweisen. Der Begriff „gemeinsame Prozessorschaltung“ bezieht sich auf eine einzelne Prozessorschaltung, die ermittelten oder vollständigen Code von mehreren Modulen ausführt. Der Begriff „gruppierte Prozessorschaltung“ bezieht sich auf eine Prozessorschaltung, die in Kombination mit zusätzlichen Prozessorschaltungen ermittelten oder vollständigen Code von ggf. mehreren Modulen ausführt. Verweise auf mehrere Prozessorschaltungen umfassen mehrere Prozessorschaltungen auf diskreten Matrizen, mehrere Prozessorschaltungen auf einer einzelnen Scheibe, mehrere Kerne auf einer einzelnen Prozessorschaltung, mehrere Threads einer einzelnen Prozessorschaltung oder eine Kombination der oben genannten. Der Begriff „gemeinsame Memory-Schaltung“ bezieht sich auf eine einzelne Memory-Schaltung, die ermittelten oder vollständigen Code von mehreren Modulen speichert. Der Ausdruck „gruppierte Memory-Schaltung“ bezieht sich auf eine Memory-Schaltung, die in Kombination mit zusätzlichem Speicher ermittelte oder vollständige Codes von ggf. mehreren Modulen speichert.
  • Der Begriff Memory-Schaltung ist dem Begriff computerlesbares Medium untergeordnet. Der Begriff „computerlesbares Medium“, wie er hier verwendet wird, bezieht sich nicht auf flüchtige elektrische oder elektromagnetische Signale, die sich in einem Medium ausbreiten (z. B. im Falle einer Trägerwelle); der Ausdruck „computerlesbares Medium“ ist daher als konkret und nichtflüchtig zu verstehen. Nicht einschränkende Beispiele eines nichtflüchtigen konkreten computerlesbaren Mediums sind nichtflüchtige Memory-Schaltungen (z. B. Flash-Memory-Schaltungen, löschbare programmierbare ROM-Schaltungen oder Masken-ROM-Schaltungen), flüchtige Memory-Schaltungen (z. B. statische oder dynamische RAM-Schaltungen), magnetische Speichermedien (z. B. analoge oder digitale Magnetbänder oder ein Festplattenlaufwerk) und optische Speichermedien (z. B. CD, DVD oder Blu-ray).
  • Die im Rahmen dieser Anmeldung beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren können teilweise oder vollständig mit einem speziellen Computer, der für die Ausführung ermittelter Computerprogrammfunktionen konfiguriert ist, implementiert werden. Die Funktionsblöcke, Flussdiagramm-Komponenten und weiter oben beschriebenen Elemente dienen als Softwarespezifikationen, die von entsprechend geschulten Technikern oder Programmierern in Computerprogramme umgesetzt werden können.
  • Die Computerprogramme beinhalten prozessorausführbare Anweisungen, die auf zumindest einem nicht-flüchtigen, konkreten, computerlesbaren Medium gespeichert sind. Die Computerprogramme können ebenfalls gespeicherte Daten enthalten oder auf gespeicherten Daten basieren. Die Computerprogramme können ein Basic-Input-Output-System (BIOS) umfassen, das mit der Hardware des speziellen Computers zusammenwirkt, Vorrichtungstreiber, die mit ermittelten Vorrichtungen des speziellen Computers, einem oder mehreren Betriebssystemen, Benutzeranwendungen, Hintergrunddiensten, im Hintergrund laufenden Anwendungen usw. zusammenwirken.
  • Die Computerprogramme können Folgendes beinhalten: (i) beschreibenden Text, der gegliedert wird, wie z. B. HTML (Hypertext Markup Language) oder XML (Extensible Markup Language), (ii) Assembler Code, (iii) Objektcode, der von einem Quellcode durch einen Compiler erzeugt wurde, (iv) Quellcode für die Ausführung von einem Dolmetscher, (v) Quellcode für die Kompilierung und Ausführung von einem Just-in-Time-Compiler usw. Nur exemplarisch kann der Quellcode unter Verwendung von Syntax aus Sprachen, einschließlich C, C++, C#, Objective C, Haskell, Go, SQL, R, Lisp, Java®, Fortran, Perl, Pascal, Curl, OCaml, Javascript®, HTML5, Ada, ASP (Active Server Pages), PHP, Scala, Eiffel, Smalltalk, Erlang, Ruby, Flash®, Visual Basic®, Lua und Python®, geschrieben werden.

Claims (6)

  1. Verfahren zum Steuern eines Stellgliedsystems eines Kraftfahrzeugs, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Verwenden eines modellprädiktiven Steuerungs-(MPC)-Moduls (312) mit einem MPC-Löser zum Bestimmen optimaler Positionen einer Vielzahl von Stellgliedern, die Einschränkungen unterliegen; Optimieren einer Kostenfunktion für einen Satz von Stellglied-Tastverhältnissen zum Steuern von Positionen der Vielzahl von Stellgliedern; Bestimmen, ob der MPC-Löser optimale Stellgliedpositionen für die Vielzahl von Stellgliedern bestimmt hat; wobei das MPC-Modul (312) weiterhin ein Optimierungsmodul (320) beinhaltet, das mehrere Einschränkungen festlegt, einschließlich Einschränkungen für mindestens jedes von einem Drosselventil (112), einem Abgasrückführventil-(AGR)-Ventil (170), einem Ladedruckregelventil (162), einem Einlassnockenversteller (148), einem Auslassnockenversteller (150) der Vielzahl von Stellgliedern; gekennzeichnet durch Aufbringen einer linearen quadratischen Regler-(LQR)-Lösung, wenn der MPC-Löser nicht die optimalen Stellgliedpositionen für die Vielzahl der Stel-Iglieder ermittelt; wobei es ferner vorgesehen ist, dass das Optimierungsmodul (320) die mehreren Einschränkungen auf enge Betriebsbereiche für die Vielzahl von Stellgliedern einstellt, wenn eine LQR-Lösung außerhalb der Betriebsbereiche liegt; oder dass das Optimierungsmodul (320) eine LQR-Lösung für einen aktuellen Regelkreis aufbringt, wenn der MPC-Löser nicht die optimalen Stellgliedpositionen für die Vielzahl von Stellgliedern bestimmt; oder dass das Optimierungsmodul (320) die LQR-Lösung für einen zukünftigen Regelkreis aufbringt, wenn der MPC-Löser nicht die optimalen Stellgliedpositionen für die Vielzahl von Stellgliedern innerhalb der Einschränkungen für die Vielzahl von Stellgliedern bestimmt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der MPC-Löser eine Folge von quadratischen Problemen löst, welche die Stellgliedbewegungen über einen Steuerhorizont für die Vielzahl von Stellgliedern verfeinern.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das MPC-Modul (312) weiterhin ein Vorhersagemodul beinhaltet, das zukünftige Zustandswerte der Vielzahl von Stellgliedern bestimmt.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Optimierung einer Kostenfunktion weiterhin das Minimieren eines Stellglied-Leistungskriteriums über einen Vorhersagehorizont für jeden Regelkreis umfasst.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Aufbringen einer LQR-Lösung weiterhin das Aufbringen der LQR-Lösung umfasst, wenn es dem MPC-Löser nicht gelingt, innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne optimale Stellgliedpositionen zu bestimmen.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die vorbestimmte Zeitspanne etwa 25 ms beträgt.
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