DE10329763A1

DE10329763A1 - Koordinierte Regelung einer elektronischen Drosselklappe und eines Turboladers mit variabler Geometrie in ladedruckverstärkten und stöchiometrisch betriebenen Ottomotoren

Info

Publication number: DE10329763A1
Application number: DE10329763A
Authority: DE
Inventors: Julia Helen Dearborn Buckland; Ilya V. Ypsilanti Kolmanovsky; Lev Leżnev
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2002-07-30
Filing date: 2003-07-02
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2023-07-03
Also published as: US6672060B1; DE10329763B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Motorsteuerungsanordnung (24) sowie ein Verfahren, bei der bzw. bei dem die Differenz zwischen einem tatsächlichen Einlasskrümmerdruck p¶int¶ und einem gewünschten Einlasskrümmerdruck p¶int,des¶ sowie die Differenz zwischen einem tatsächlichen Abgaskrümmerdruck p¶exh¶ und einem gewünschten Abgaskrümmerdruck p¶exh,des¶ in ein einziges Rückkopplungssignal zur Regelung einer Turbine (38) mit variabler Geometrie kombiniert werden. Gleichzeitig wird die Differenz zwischen dem tatsächlichen Einlasskrümmerdruck p¶int¶ und dem gewünschten Einlasskrümmerdruck p¶int,des¶ zur Regelung einer Drosselklappenposition herangezogen.

Description

Die Erfindung betrifft die Regelung ladedruckverstärkter Verbrennungsmotoren (boosted engines). Insbesondere betrifft die Erfindung eine koordinierte Regelung der elektronischen Drosselklappe und eines Turboladers mit variabler Geometrie (VGT: Variable Geometry Turbine) in ladedruckverstärkten und stöchiometrisch betriebenen Ottomotoren (spark ignition engines).

Wie aus dem Stand der Technik bekannt, sind bei stöchiometrisch betriebenen Motoren die Motordrehmomentreaktionen direkt mit Zylinderluftflussreaktionen verknüpft, welche wiederum mit den Ansaugkrümmerdruckreaktionen gekoppelt sind. Aus diesem Grunde ist ein schnelles Ansprechen des Ansaugdruckes mit einem geringen Überschwingen in Reaktion auf Fahrergaspedalkommandos von essentieller Bedeutung, um eine angemessene Drehmomentreaktion derartiger Motoren sicher zu stellen. Ein schnelles Ansprechen garantiert eine geringe Turbo-Verzögerung (turbo-lag), welche einen äußerst wichtigen Fahreigenschafts-Aspekt bei turbogeladenen Motoren darstellt. Weiterhin sind Überschwingreaktionen im Ansaugdruck äußerst unerwünscht, da diese zu einem Überschwingen des Mo tordrehmoments und damit zu Fahreigenschaftsproblemen führen können.

Betrachtet man eine stöchiometrisch betriebene Ottomotoranordnung, bei der ein Kompressor eines Turboladers über eine variable elektronische Drosselklappe Luft in den Ansaugkrümmer des Motors befördert, und bei der ein derartiger Kompressor durch eine Turbine mit variabler Geometrie (VGT) angetrieben wird, die im Abgaskrümmer des Motors mit Verbrennungsgasen gespeist und durch ein Regelungssignal u_vgt kontrolliert wird, welches von einer Motorsteuereinheit (ECU) erzeugt wird, so versteht es sich, dass die elektronische Drossel sehr schnell reagieren kann und eine umfassende Kontrolle über den Ansaugdruck ermöglicht, sofern die Drossel nicht vollständig geöffnet ist. Die elektronische Drossel kann daher von der Motorsteuereinheit (ECU) dahingehend geregelt werden, dass diese auf eine Differenz zwischen einem gemessenen und einem gewünschten Ansaugdruck derart reagiert, dass der gemessene Ansaugdruck schnell und mit geringem Überschwingen zum gewünschten Druck geführt wird. Das die elektronische Drossel treibende Fehlersignal hat in diesem Falle die folgende Form:

wobei:
e_trh der Ansaugdruck-Fehler ist, der bei der Bildung des Drosselregelungssignals verwendet wird;
P_int der gemessene Ansaugdruck ist, und
P_int,des der gewünschte Ansaugdruck ist.

Wenn die Drossel nahezu vollständig geöffnet ist, nimmt ihr Einfluss auf den Ansaugdruck sehr stark ab. In dieser Situation muss daher der VGT (Turbolader variabler Geometrie) zur Beeinflussung des Ansaugdruckes herangezogen werden. In dieser Situation gibt es drei grundsätzliche Möglichkeiten für eine rückgekoppelte VGT-Regelung: Der VGT kann entweder basierend auf der Differenz zwischen (1) dem gemessenem und dem gewünschten Ansaugdruck, oder (2) dem gemessenen und dem gewünschten Luftmassenfluss bzw. Luftmassenstrom (gemessen vor dem Kompressor) oder (3) dem gemessenen und dem gewünschten Abgaskrümmerdruck geregelt werden.

Diese Regelungsvarianten haben sich jedoch als nicht zufriedenstellend herausgestellt, wie nachstehend noch näher erläutert wird. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Qualität der Regelung der Drosselklappenposition sowie der Regelung des VGT zu verbessern.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Motorregelungsanordnung bzw. ein entsprechendes Verfahren bereitgestellt, bei der bzw. bei dem eine Differenz zwischen einem tatsächlichen Ansaugdruck und einem gewünschten Ansaugdruck sowie eine Differenz zwischen einem tatsächlichen Abgaskrümmerdruck und einem gewünschten Abgaskrümmerdruck zu einem einzigen Rückkopplungssignal zur Regelung des VGT kombiniert werden, während die Differenz zwischen dem tatsächlichen Ansaugdruck und dem gewünschten Ansaugdruck zur Regelung bzw. Steuerung der Drosselklappenposition verwendet wird.

Im Einzelnen wurde im Rahmen der vorliegenden Erfindung festgestellt, dass keine der drei vorstehend beschriebenen Möglichkeiten absolut wünschenswert ist. Es konnte ermittelt werden, dass eine Rückkopplung über den Ansaugdruck (d.h. Alternative (1) von oben) eine schnelle Antwort mit geringem Überschwingen bereitstellt. Da dieselbe Messung jedoch für sowohl die Regelung der Drosselklappe als auch des VGT verwendet wird, hat sich herausgestellt, dass die Robustheitseigenschaften eines derartigen Systems gegenüber Variationen in den Motorparametern, wie sie z.B. durch ein Altern des Motors verursacht werden, nicht befriedigend sind.

Eine Rückkopplung über den Luftmassenfluss bzw. Luftmassenstrom (d.h. Alternative (2) von oben) ist ebenfalls nicht besonders wünschenswert, da im stationären Zustand der Luftmassenfluss (MAF) (wie dieser von einem vor dem Kompressor angeordneten MAF-Sensor gemessen wird) gleich dem Zylinderfluss ist, welcher wiederum durch den Ansaugdruck bestimmt wird. Da sich die Parameter des Motors verändern, können die gewünschten Werte des Ansaugdruckes und des Luftmassenflusses inkonsistent werden, d.h. diese können im stationären Zustand nicht gleichzeitig erreicht werden. Dies kann zu einer unvorhersagbaren Verschlechterung im Verhalten des Reglers und des Motors führen, wenn der Regler beide Vorgabepunkte zu erreichen versucht (d.h. den gewünschten Ansaugdruck und den gewünschten Massenfluss).

Schließlich wurde erkannt, dass für eine schnelle Antwort des Ansaugdruckes bei plötzlichen Gaspedalbetätigungen (tipins) der Abgaskrümmer ein signifikantes Überschwingen zeigen muss (d.h. ein Aufflackern (flare)). Dieses Aufflackern unterstützt ein schnelles Hochlaufen des Turboladers und die Minimierung der Turbo-Verzögerung, die andernfalls das Ansprechen signifikant beeinflussen würde. Eine Regelung des VGT derart, dass der Abgaskrümmerdruck nahe bei seinem stationären Einstellpunkt (d.h. (3) von oben) gehalten wird, eliminiert das Aufflackern und erhöht damit die Turbo-Verzögerung (d.h. verringert die Ansprechgeschwindigkeit).

Aus diesen Betrachtungen heraus werden gemäß der vorliegenden Erfindung Fehlersignale, nämlich insbesondere (1) eine Differenz zwischen einem gemessenen Ansaugkrümmerdruck und einem gewünschten Ansaugkrümmerdruck und (2) eine Differenz zwischen einem gemessenen Abgaskrümmerdruck und einem gewünschten Abgaskrümmerdruck zu einem einzigen Rückkopplungssignal e_vgt für die Turbine variabler Geometrie kombiniert, wobei e_vgt wie folgt definiert ist:

Das Gewicht w stellt eine für das betrachtete System vom Konstrukteur des Regelungssystems gewählte Variable dar. Es gewichtet den relativen Einfluss des Ansaugdruckes und des Abgaskrümmerdruckes auf e_vgt. Das Gewicht w, welches den Ansaugkrümmerdruck-Fehler multipliziert, wird zwischen 0 und 1 eingestellt, jedoch nahe bei 1, um eine schnelle transiente Antwort des Ansaugdruckes mit nur kleinen Überschwingreaktionen zu gewährleisten. Das kleine, nicht verschwindende Gewicht (1–w) des Abgaskrümmerdruck-Fehlers verbessert die Robustheit des Reglers gegenüber Parametervariationen im stationären Zustand. Es wurde gefunden, dass ein Wert von w = 0,8 zu verhältnismäßig guten Resultaten führt.

Der Regler (z.B. ECU), welcher die Drosselklappe und den VGT steuert, kann nunmehr vollständig spezifiziert werden. Der Regler wendet eine proportionale plus integrale Operation auf sowohl e(t)_thr als auch e(t)_vgt an und addiert die Ergebnisse dieser Operationen zu den vorwärtsgekoppelten Termen des nominellen Drosselpositionssignals u_thr,_des(t) bzw. des nominellen VGT-Positionssignals u_vgt,_des(t). Das an den VGT geleitete Steuerkommando ist daher u_vgt(t), und das an die Drosselklappe geleitete Signal ist u_thr(t), wobei

und wobei ΔT eine Abtastperiode darstellt. Die Proportionalregler-Verstärkungen, k_p,thr und k_p,vgt, und die Integralregler-Verstärkungen, k_i,thr und k_i,vgt, können zu Funktionen der Motordrehzahl und der Ansaugdruckanforderung gemacht und in geeigneten Lookup-Tabellen gespeichert werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen (gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Figuren stehen jeweils für ähnliche Elemente):
1 eine vereinfachte schematische Darstellung einer stöchiometrischen Ottomotoranordnung gemäß der Erfindung;
2 ein Blockdiagramm, welches beim Verständnis der Erzeugung eines Regelsignals u_thr(t) für eine im System von 1 verwendete elektronische Drosselklappe und eines Regelsignals u_vgt(t) für einen im System von 1 verwendeten VGT hilfreich ist;
3 ein Flussdiagramm eines Verfahrens, das von einem auf einem Computermedium in einer Motorsteuerungseinheit (ECU) des Systems von 1 gespeicherten Computercode ausgeführt wird, wobei die ECU bei Ausführung eines derartigen Codes ein Verfahren zur Erzeugung des Regelungssignals u_thr(t) für eine im System von 1 verwendete elektronische Drossel und eines Regelungssignals u_vgt(t) für den im System von 1 verwendeten VGT durchführt;
4 ein Blockdiagramm zur Erläuterung der Erzeugung eines Regelsignals u_thr(t) für eine in der Anordnung gemäß 1 verwendete elektronische Drosselklappe und eines Regelsignals u_vgt(t) für einen in der Anordnung gemäß 1 verwendeten VGT gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung, und
5 ein Flussdiagramm eines Verfahrens, das von einem auf einem Computermedium in der ECU der Anordnung gemäß 1 gespeicherten Computercode ausgeführt wird, wobei die ECU bei Ausführung eines derartigen Codes ein im Blockdiagramm von 4 verwendetes Verfahren zur Erzeugung des Regelungssignals u_thr(t) für die in der Anordnung von 1 verwendete elektronische Drossel und eines Regelungssignals u_vgt(t) für den im System von 1 verwendeten VGT durchführt.
In 1 ist eine vereinfachte schematische Darstellung einer stöchiometrisch betriebenen Ottomotoranordnung 10 gezeigt. Die Motoranordnung 10 ist mit einem Turbolader variabler Geometrie (VGT) 14 ausgerüstet. In der Zeichnung ist ein beispielhafter Motorblock 16 mit vier Brennkammern 18 dargestellt, wobei es sich versteht, dass zusätzliche (oder auch weniger) Brennkammern vorhanden sein können. Jede der Brennkammern 18 enthält einen Kraftstoffinjektor 20 zur Direktinjektion. Der Arbeitstakt der Kraftstoffinjektoren 20 wird von einer Motorsteuerungseinheit (ECU) 24 bestimmt und über eine Signalleitung 22 übermittelt. Luft tritt in die Brennkammern 18 durch einen Ansaugkrümmer 26 ein, und Ver brennungsgase werden durch einen Abgaskrümmer 28 in Richtung des Pfeils 30 abgegeben.
Der Turbolader 14 verwendet Abgasenergie, um die Masse der an die Motorbrennkammern 18 bereitgestellten Luftladung zu erhöhen. Das in Richtung des Pfeils 30 fließende Abgas treibt den Turbolader 14 an. Die entsprechend größere Luftmasse kann mit einer größeren Kraftstoffmenge verbrannt werden, was zu mehr Drehmoment und Leistung im Vergleich zu natürlich ansaugenden, nicht turbogeladenen Motoren führt.
Der Turbolader 14 besteht aus einem Kompressor 36 und einer Turbine 38, die über eine gemeinsame Welle 40 gekoppelt sind. Das Abgas 30 treibt die Turbine 38, welche den Kompressor 36 antreibt, welcher wiederum Umgebungsluft 42 komprimiert und diese über eine elektronisch geregelte Drosselklappe 12 in den Ansaugkrümmer 26 lenkt (Pfeil 43).
Alle Motorsysteme einschließlich des Drosselsystems 12, des VGT 14 und der Kraftstoffinjektoren 20 werden durch die ECU 24 geregelt. Im Einzelnen umfasst die ECU 24 ein Speichermedium 27 zur Speicherung eines Programms (d.h. von Computercode), um das hier beschriebene und hier mit Bezug auf die 3 und 5 beschriebene Verfahren auszuführen. Z.B. kann das Regelungssignal u_thr(t) auf der Leitung 46 von der ECU 24 die Position der Drosselklappe 12 und das Regelungssignal u_vgt(t) 48 die Position der VGT-Führungsflügel 44 (guide vanes) regulieren. Sensoren und kalibrierte Lookup-Tabellen versorgen die ECU 24 mit Motorbetriebsinformationen. Z.B. liefert der Ansaug-Absolutdruck-(MAP)-Sensor 50 ein MAP- (d.h. p_int) Signal 52 an die ECU 24, welches den Druck im Ansaugkrümmer 26 anzeigt. In ähnlicher Weise liefert der Abgaskrümmerdruck-(EXMP)-Sensor 54 ein EXMP- (d.h. p_exh) Signal 56 an die ECU 24, welches den Druck im Abgaskrümmer 28 anzeigt. Zusätzliche Sensoreingangssignale wie z.B. die Motorkühlmitteltemperatur und die Motordrehzahl können ebenso von der ECU über die Signalleitung 62 empfangen werden. Zusätzliche Bedienereingaben 68, z.B. eine Gaspedalposition, werden über ein Signal 70 empfangen.
Der VGT 14 wird, wie nachfolgend näher erläutert wird, gemäß einer Funktion eines Regelungssignals u_vgt(t) modifiziert, wobei t die Zeit darstellt. An dieser Stelle sei kurz zusammenfassend ausgeführt, dass das Regelungssignal u_vgt(t) auf der Leitung 48 zwei Komponenten aufweist: (1) eine nominale Komponente u_vgt,des(t), welche als Funktion der gemessenen Motordrehzahl (RPM) und eines gewünschten Ansaugkrümmerdruckes, wie von der ECU 24 bestimmt, modifiziert wird; und (2) eine Komponente e_vgt'(t), welche eine Funktion ist von: (a) einer Differenz zwischen einem gemessenen Ansaugkrümmerdruck p_int und einem gewünschten Ansaugkrümmerdruck p_int,des; und (b) einer Differenz zwischen einem gemessenen Abgaskrümmerdruck p_exh und einem gewünschten Abgaskrümmerdruck p_exh,des, wie von der ECU 24 bestimmt. Die zwei Komponenten u_vgt,des und e_vgt' werden – wie in 2 gezeigt – zu einem einzigen Rückkopplungssignal u_vgt für die Turbine variabler Geometrie kombiniert, wobei e_vgt ist:
Das Gewicht w ist eine für das betrachtete System vom Konstrukteur des Regelungssystems gewählte Variable. Es gewichtet den relativen Einfluss des Ansaugdruckes und des Abgaskrümmerdruckes auf e_vgt . Das Gewicht w, welches den Ansaugkrümmerdruck-Fehler multipliziert, wird zwischen 0 und 1 eingestellt, jedoch nahe bei 1, um eine schnelle transiente Antwort des Ansaugdruckes mit kleinen Überschwingerscheingungen zu gewährleisten. Das kleine, nicht verschwindende Gewicht (1–w) des Abgaskrümmerdruck-Fehlers verbessert die Robustheit des Reglers gegenüber Parametervariationen im stationären Zustand. Es wurde gefunden, dass ein Wert von w = 0,8 zu verhältnismäßig guten Antworten führt.
In jedem Falle verändert das Regelungssignal u_vgt(t) die Turbinenflussfläche und den Winkel, unter welchem das Abgas 30 auf die Turbinenblätter gerichtet wird. Dies wird durch Änderung des Winkels der Einlassführungsflügel 44 auf der Turbine 38 erreicht.
Wie vorstehend festgestellt wurde, enthält das Motorsystem 10 eine elektronisch geregelte Drossel 12. Wie aus 1 ersichtlich, regeln sowohl die Drossel 12 als auch der VGT 14 den Gasfluss zum Ansaugkrümmer 26. Das Drosselsystem 12 wird durch ein Regelungssignal u_thr(t) kontrolliert. Das Drosselregelungssignal u_thr(t) ist ein zusammengesetztes Signal umfassend (1) eine nominale Komponente u_thr,des. welche wie in 2 gezeigt eine Funktion einer gemessenen Motordrehzahl (RPM) und eines gewünschten Ansaugkrümmerdruckes p_int,des darstellt; und (2) einer Komponente e_thr', die eine Funktion ist von
wobei:
e_trh der Ansaugdruck-Fehler ist, der bei der Bildung des Drosselregelungssignals verwendet wird;
p_int der gemessene Ansaugkrümmerdruck ist, und
p_int,des der gewünschte Ansaugkrümmerdruck ist.
Das Signal u_thr auf Leitung 46, welches die elektronisch kontrollierte Drosselklappe 12 steuert, und das Signal u_vgt auf Leitung 48, welches die Turbine 38 variabler Geometrie ansteuert, können nunmehr genauer spezifiziert werden. Wie 2 zeigt, wendet die ECU 24 zusätzlich zu dem Vorwärtsanteil der nominalen Drosselklappen-Signale, u_thr,des, und VGT-Signale, u_vgt,des, eine proportionale plus integrale Regelungsaktion auf e_thr und e_vgt an. Die Signale u_thr auf Leitung 46 und u_vgt auf Leitung 48 können somit ausgedrückt werden als:
wobei ΔT eine Abtastperiode darstellt. Die Proportionalregler-Verstärkungen k_p,thr und k_p,vgt und die Integralregler-Verstärkungen k_i,thr und k_i,vgt können als Funktionen der Motordrehzahl und der Ansaugdruckanforderung ausgestaltet sein und in geeigneten Lookup-Tabellen gespeichert werden.
In dem Blockdiagramm gemäß ist der Betrieb des rückgekoppelten Reglers detaillierter dargestellt. Speziell liest die ECU 24 in Schritt 100 die Drehmomentanforderung (eine Funktion der Gaspedalbetätigung des Fahrers) und die Motordrehzahl (gemessene U/min). In Schritt 102 bestimmt die ECU 24 aus den Messwerten die gewünschten Einlass- und Auslasskrümmerdrucke p_int,des, p_exh,des. In Schritt 104 bestimmt die ECU 24 das vorwärtsgekoppelte Drosselsignal u_thr,des und das vorwärtsgekoppelte VGT-Signal u_vgt,des (2) gemäß der gelesenen Motordrehzahl (RPM) und dem festgestellten gewünschten Einlasskrümmerdruck p_int,des. In Schritt 106 liest die ECU 24 Messungen des Ansaugkrümmerdruckes p_int und des Abgaskrümmer druckes p_exh. In Schritt 108 bildet die ECU 24 ein erstes Fehlersignal e_trh(t) zwischen dem gewünschten und dem gemessenen Ansaugdruck (d. h. p_int–p_int,des) und ein zweites Fehlersignal zwischen dem gewünschten und gemessenen Abgasdruck (d.h. p_exh–p_exh,des). In Schritt 110 bildet die ECU 24 die gewichtete Summe des gebildeten p_int–p_int,des und des gebildeten p_exh–p_exh,des, wie vorstehend sowie in Bezug auf 2 beschrieben:
In Schritt 112 kombiniert die ECU 24 die Drosselklappenvorwärtsposition u_thr,des mit dem ersten Fehlersignal e_thr multipliziert mit einer Verstärkung k_p,_thr und dem ersten Integralzustand multipliziert mit einer Verstärkung k_i,thr (d.h. e_thr'(t) wie oben beschrieben) , um ein erstes zusammengesetztes Signal u_thr = e_thr'(t) + u_thr,des zu erzeugen. In Schritt 114 kombiniert die ECU 24 das vorwärtsgekoppelte VGT-Signal u_vgt,des mit dem gewichteten Druckfehler e_vgt multipliziert mit einer Verstärkung k_p,vgt und dem zweiten Integralzustand multipliziert mit einer Verstärkung k_i,vgt (d.h. e_vgt' wie vorstehend beschrieben), um ein zweites zusammengesetztes Signal u_vgt zu erzeugen. Für diskrete Implementationen werden die Schritte 116 und 118 angewendet, bei denen die Integralzustände der Drosselklappen- und VGT-Regler basierend auf der letzten Messinformation aufgefrischt werden. Das erste zusammengesetzte Signal u_thr wird der Drosselklappe über die Leitung 46 und das zweite zusammengesetzte Signal u_vgt(t) dem VGT über die Leitung 48 zugeführt.
In Motorkonfigurationen, bei denen ein Ventil für eine externe Abgasrezirkulation (EGR) vorhanden ist, bleibt der Koordinationsmechanismus bei großen Transienten im Wesentlichen unverändert, da das EGR-Ventil bei derartigen Transienten in der Regel geschlossen wäre.
Es ist möglich, die Ansprechgeschwindigkeit weiter zu verbessern, wenn die zukünftige Druckanforderung (oder äquivalent die Drehmomentanforderung des Fahrers) im Voraus vorhergesagt werden kann. Die Vorhersage der zukünftigen Ansaugkrümmerdruck-Anforderung kann auf der vorangehenden Fahrhistorie, auf GPS-Messungen und Straßensteigungskarten, auf Fahrzeugkommunikations- und/oder Verkehrsinformationssystemen sowie auf Getriebeschaltbefehlen basieren. Der grundsätzliche Ansatz besteht darin, die Einstellpunkte des Ansaug- und Abgaskrümmerdruckes (d.h. die gewünschten Werte) an die VGT-Schleife vor dem tatsächlichen Schritt zu übergeben. Die resultierende Regelungsaktion besteht darin, den VGT in eine geschlossenere Position zu bewegen, wodurch der Turbolader hochgefahren und ein Kompressordruck aufgebaut wird, bevor die Notwendigkeit zur Erhöhung der Drehmomentabgabe tatsächlich auftritt. Die Drosselklappenschleife arbeitet auf dem aktuellen Ansaugkrümmerdruck-Einstellpunkt und verhindert auf diese Weise, dass das vorgezogene Schließen des VGT den Ansaugkrümmerdruck beeinflusst. Die Verwendung derartiger Informationen ermöglicht signifikant schnellere Antworten mit geringem Überschwingen.
In 4 ist diesbezüglich eine andere Ausgestaltung mit einem Signal u_thr,pred der gewünschten Drosselklappenposition und einem VGT-Regelungssignal u_vgt,pred gezeigt, wobei diese Signale in Reaktion auf Motorbetriebsbedingungen wie z.B. die Motordrehzahl und eine vorhergesagte Drehmomentanforderung erzeugt werden. Die vorhergesagte Drehmomentanforderung kann z.B. durch die Vorhersage der zukünftigen Ansaugkrümmerdruckanforderung basierend – wie erläutert – auf der vorangehenden Fahrhistorie, auf GPS-Messungen und Straßensteigungskarten, auf der Fahrzeugkommunikation und Verkehrsinformationssystemen sowie auf Getriebeschaltbefehlen be stimmt werden. Während des Nicht-Vorhersagemodus befindet sich der Schalter S₁ in einer derartigen Position, dass das Vorwärtssignal u_thr,des wie vorstehend in Verbindung mit 2 beschrieben mit dem Signal e_thr' summiert wird. Im Vorhersagemodus ist der Schalter S₁ in einer derartigen Position, dass das vorhergesagte Drosselsignal u_thr,pred mit dem Signal e_thr' wie in 4 gezeigt summiert wird. Während des Nicht-Vorhersagemodus ist auch der Schalter S₂ in einer Position, in der die Summe des Signals u_vgt,des und des Signals e_vgt'(t) wie oben in Bezug auf 2 beschrieben für das VGT-Regelungssignal u_vgt (t) verwendet werden. Während des Vorhersagemodus ist jedoch der Schalter S₂ in einer Position, bei der das Signal u_vgt,pred wie in 4 gezeigt für das VGT-Regelungssignal u_vgt(t) verwendet wird.
Wie vorstehend ausgeführt (vgl. 4) ist somit die VGT-Rückkopplung im Wesentlichen außer Kraft gesetzt, wenn der Drehmomentvorausschau-(d.h. Vorhersage-)Modus aktiv ist, und das vorwärtsgekoppelte VGT-Kommando wird derart angepasst, dass dieses den VGT in eine stärker geschlossene Position bewegt als diese sonst angenommen würde. Die Drosselrückkopplung bleibt während des Vorhersagemodus aktiv, jedoch wird die Drossel-Vorwärtssteuerung angepasst, um die Änderung in der VGT-Vorwärtssteuerung zu berücksichtigen.
Bezugnehmend auf 5 wird somit die ECU 24 (1) gemäß dem dort gezeigten Flussdiagramm programmiert. Es wird darauf hingewiesen, dass in der ECU 24 zwei Zeitgeber (nicht dargestellt) vorgesehen sind. In Schritt 200 findet eine Initialisierung eines ersten der zwei Zeitgeber – hier durch Setzen auf Null – statt, und der zweite der zwei Zeitgeber wird gestartet (d.h. auf "an" gestellt). Der erste Zeitgeber wird ausgelöst, wenn ein Drehmomentvorhersage-Szenario identifiziert wird; d.h., wenn durch die ECU 24 ein Vorhersage modus ausgewählt wird. Falls der Drehmomentanstieg nicht dann auftritt, wann er vorhergesagt wurde, wird der erste Zeitgeber abgestellt, und das System kehrt zu einem normalen Betrieb (d.h. in einen Nicht-Vorhersagemodus) zurück. Die Funktion des zweiten Zeitgebers besteht darin, einen neuen Eintritt in die Drehmomentvorhersage für eine bestimmte Zeitdauer zu verhindern, was das System zwingt, vor einem erneuten Auslösen des ersten Zeitgebers zu warten. Dies hindert das System daran, 1.) die Regelung zur Änderung in einen Zustand, in dem es sich schon befindet, zu veranlassen, oder 2.) das Regelungssystem zur Behandlung einer Situation aufzufordern, der es sich bereits angenommen hat.
Gemäß 5 schreitet das Verfahren zu Schritt 204 voran, falls in Schritt 202 die Drehmoment-Vorhersageregelung bereits aktiv ist (d.h. der erste Zeitgeber "an" ist). Falls der erste Zeitgeber abgelaufen ist, d.h. einen vorgegebenen Schwellwert überschritten hat (d.h. der Drehmomentanstieg nicht während dieser vorgegebenen Zeitdauer aufgetreten ist), oder falls der Druck des Fahrers auf das Gaspedal einen Schwellwert überschreitet (d.h. der Fahrer hat mehr Drehmoment verlangt, so dass der Vorhersagemodus nicht länger benötigt wird, da die Drehmomentanforderung vom Fahrer kommt), schreitet das Verfahren zu Schritt 206 voran; andernfalls geht das Verfahren zu Schritt 210. In Schritt 206 wird der erste Zeitgeber auf "aus" gestellt und der zweite Zeitgeber auf "an". Das Verfahren geht zu Schritt 208 über. Da keine weitere Notwendigkeit für einen Drehmoment-Vorhersageregelungsmodus besteht, kehrt das Verfahren zu einem normalen Betriebsmodus zurück. Falls das Verfahren zu Schritt 210 vorangeschritten wäre, befindet sich das System in einer Drehmoment-Vorhersageregelung (d.h. in einem Vorhersagemodus), in dem es verbleibt.
Falls in Schritt 202 der erste Zeitgeber "aus" war, wird eine Vorhersage über den Anstieg der Drehmomentanforderung innerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters in der Zukunft getroffen (Schritt 212). Das Verfahren geht dann zu einem Schritt 214 über. In Schritt 214 wird, falls der vorhergesagte Drehmomentanstieg größer als ein vorgegebener Wert ist und der zweite Zeitgeber auf "aus" ist (d.h. es ist genug Zeit seit der letzten Drehmoment-Vorhersagesituation vergangen), der VGT außer Betrieb genommen (Schritt 216), der erste Zeitgeber auf "an" gestellt (Schritt 218), und es wird die Drehmoment-Vorhersageregelung angewendet (Schritt 220). Das Verfahren schreitet dann zu Schritt 204 voran. Andernfalls geht das Verfahren zu Schritt 208 über. D.h., falls der vorhergesagte Drehmomentanforderungsanstieg einen Schwellwert überschreitet und der zweite Zeitgeber einen anderen Schwellwert überschreitet (Schritt 214), dann wird die vorstehend beschriebene Drehmoment-Vorhersageregelung eingesetzt (Schritte 216, 218 und 220). In den Schritten 218 und 220 wird der erste Zeitgeber auf "an" gestellt und das System geht in einen Drehmoment-Vorhersagemodus und betreibt die Schalter S₁ und S₂ wie in 4 gezeigt. Es sei darauf hingewiesen, dass, wenn der VGT im Voraus geschlossen wird, sich der Drehmomentanforderungsanstieg jedoch nicht innerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters einstellt, der VGT (durch eine vorwärtsgekoppelte Steuerung) auf seine normale Einstellung zurückgefahren werden kann, während die Drosselklappe mit einer Rückkopplung aktiv geregelt wird, um diese VGT-Aktion gegenüber einer Beeinflussung des Ansaugkrümmerdruckes zu isolieren. Schließlich kann die VGT-Regelungsschleife wieder in Kraft gesetzt werden.
Es wurde eine Anzahl von Ausgestaltungen der Erfindung beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass verschiedenste Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen. Z.B. kann die Erfindung auf eine beliebige Turbolader-Einrichtung mit variablem Einlassfluss angewendet werden.

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Motorsteuerungsanordnung (24) für eine Motoranordnung mit einem Einlasskrümmer (26) und einem Abgaskrümmer (28 ), wobei das Abgas im Abgaskrümmer (28) einer Turbine (38) mit variabler Geometrie zugeführt wird, wobei die Turbine mit einem Kompressor (36) verbunden ist, welcher über eine elektronisch geregelte Drosselklappe (12) Luft in den Einlasskrümmer einspeist, wobei die Turbine variabler Geometrie durch ein VGT-Regelungssignal (u_vgt) gesteuert wird und wobei die elektronisch variable Drosselklappe (12) durch ein Drosselkontrollsignal (u_thr) gesteuert wird, gekennzeichnet durch die Kombination der Differenz zwischen einem tatsächlichen Ansaugkrümmerdruck (p_int) und einem gewünschten Ansaugkrümmerdruck (p_int,des) sowie der Differenz zwischen einem tatsächlichen Abgaskrümmerdruck (p_exh) und einem gewünschten Abgaskrümmerdruck (p_exh,des) zu einem Signal zur Bereitstellung des VGT-Regelungssignals (u_vgt) sowie die Kombination der Differenz zwischen dem tatsächlichen Ansaugkrümmerdruck (p_int) und dem gewünschten Ansaugkrümmerdruck (p_int,des) zur Erzeugung des Drosselkontrollsignals (u_thr ).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kombination umfasst: die Bestimmung eines gewünschten Ansaugkrümmerdruckes p_int,des und eines gewünschten Abgaskrümmerdruckes p_exh,des; die Messung eines Motoreinlasskrümmerdruckes p_int und eines Motorabgaskrümmerdruckes p_exh; die Bildung eines ersten Fehlersignals p_int–p_int,des zwischen einem gemessenen Einlassdruck p_int und einem gewünschten Einlassdruck p_int,des und eines zweiten Fehlersignals p_exh–p_exh,des zwischen einem gemessenen Abgaskrümmerdruck p_exh und einem gewünschten Abgaskrümmerdruck p_exh,des; die Zufuhr einer ersten Funktion des ersten Fehlersignals und des zweiten Fehlersignals zum VGT (14), und die Zufuhr einer zweiten Funktion des ersten Fehlersignals zur Drosselklappe (12).
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Funktion die Bildung eines gewichteten Summensignals e_vgt umfasst gemäß
wobei w eine Zahl zwischen 0 und 1 ist.
Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die Bildung eines Signals e_vgt'(t), welches das gebildete Signal e_vgt multipliziert mit einer Verstärkung k_p,vgt und dem Integralzustand des gebildeten Signals e_vgt multipliziert mit k_i,vgt darstellt; und die Zufuhr des Signals e_vgt'(t) zum VGT (14).
Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die Bildung eines Signals e_thr'(t), welches das erste Fehlersignal p_int–p_int,des multipliziert mit einem Verstärkungsfaktor k_p,thr und dem Integralzustand des gebildeten ersten Fehlersignals p_int–p_int,des multipliziert mit einer Verstärkung k_i,thr darstellt .
Verfahren zum Betrieb einer Motorsteuerungsanordnung (24) für eine Motoranordnung mit einem Einlasskrümmer (26) und einen Abgaskrümmer (28 ) , wobei das Abgas im Abgaskrümmer (28) einer Turbine (38) mit variabler Geometrie zugeführt wird, wobei die Turbine mit einem Kompressor (36) verbunden ist, welcher über eine elektronisch geregelte Drosselklappe (12) Luft in den Einlasskrümmer einspeist, wobei die Turbine variabler Geometrie durch ein VGT-Regelungssignal (u_vgt) gesteuert wird, wobei die elektronisch variable Drosselklappe (12) durch ein Drosselkontrollsignal (u_thr) gesteuert wird, gekennzeichnet durch folgende Schritte: die Bestimmung einer Motordrehmomentanforderung und Motordrehzahl; die Bestimmung eines gewünschten Einlasskrümmerdruckes p_int,des und eines gewünschten Abgaskrümmerdruckes p_exh,des aus der bestimmten Drehmomentanforderung und der Motordrehzahl; die Bestimmung eines vorwärtsgekoppelten Drosselsignals u_thr,des und eines vorwärtsgekoppelten VGT-Signals u_vgt,des gemäß der gemessenen Motordrehzahl und dem bestimmten gewünschten Einlasskrümmerdruck p_int,des, die Messung eines Motoreinlasskrümmerdruckes p_int und Motorabgaskrümmerdruckes p_exh; die Bildung eines ersten Fehlersignals p_int–p_int,des zwischen dem gemessenen und dem gewünschten Einlassdruck und eines zweiten Fehlersignals p_exh–p_exh,des die Bildung eines gewichteten Summensignals e_vgt als:
wobei w eine Zahl zwischen 0 und 1 ist; die Kombination des bestimmten vorwärtsgekoppelten Drosselsignals u_thr,des mit dem gebildeten ersten Fehlersignal p_int–p_int,des multipliziert mit einem Verstärkungsfaktor k_p,thr und dem Integralzustand des gebildeten ersten Fehlersignals p_int–p_int,des multipliziert mit einer Verstärkung k_i,thr zur Erzeugung eines Signals e_thr'(t) ; die Kombination des bestimmten vorwärtsgekoppelten VGT-Signals u_vgt,des mit einem Signal e_vgt' , welches das gebildete Signal e_vgt multipliziert mit einer Verstärkung k_p,vgt und dem Integralzustand des gebildeten Signals e_vgt multipliziert mit k_i,vgt darstellt; die Addition des Signals e_thr'(t) zu dem bestimmten vorwärtsgekoppelten Signal u_thr,des zur Erzeugung eines ersten zusammengesetzten Signals u_thr; die Zufuhr des ersten zusammengesetzten Signals zur Drosselklappe (12); die Addition des Signals e_vgt'(t) zum Signal u_vgt,des(t) zur Erzeugung eines zweiten zusammengesetzten Signals u_vgt(t), und die Zufuhr des zweiten zusammengesetzten Signals u_vgt(t) zum VGT.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vorhersage der Motordrehmomentanforderung und die Erzeugung von Drossel- und VGT-Kommandos als Funktion des vorhergesagten Motordrehmoments während eines Vorhersagemodus.
Vorrichtung umfassend: ein Computerspeichermedium mit einem darin codierten Computerprogramm für den Betrieb einer Motorsteuerungsanordnung (24) in einer Motoranordnung mit einem Einlasskrümmer (26) und einem Abgaskrümmer (28), wobei das Abgas im Abgaskrümmer (28) einer Turbine (38) mit variabler Geometrie zugeführt wird, wobei die Turbine mit einem Kompressor (36) verbunden ist, welcher über eine elektronisch geregelte Drosselklappe (12) Luft in den Einlasskrümmer einspeist, wobei die Turbine variabler Geometrie durch ein VGT-Regelungssignal (u_vgt) gesteuert wird, wobei die elektronisch variable Drosselklappe (12) durch ein Drosselregelungssignal (u_thr) gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Computerspeichermedium enthält: einen Code zur Verwendung einer Differenz zwischen einem tatsächlichen Einlasskrümmerdruck (p_int) und einem gewünschten Einlasskrümmerdruck (p_int,des) und einer Differenz zwischen einem tatsächlichen Abgaskrümmerdruck (p_exh) und einem gewünschten Abgaskrümmerdruck (p_exh,des) in einem zusammengesetzten Signal, um das Regelungssignal (u_vgt) für die Turbine variabler Geometrie bereitzustellen, und der Differenz zwischen dem tatsächlichen Einlasskrümmerdruck (p_int) und dem gewünschten Einlasskrümmerdruck (p_int,des) zur Erzeugung des Drosselregelungssignals (u_thr).
Vorrichtung, mit: einem Computerspeichermedium mit einem darauf codierten Computerprogramm für den Betrieb einer Motorsteuerungsanordnung (24) einer Motoranordnung mit einem Einlasskrümmer (26) und einem Abgaskrümmer (28), wobei das Abgas im Abgaskrümmer (28) einer Turbine (38) mit variabler Geometrie zugeführt wird, wobei die Turbine mit einem Kompressor (36) verbunden ist, welcher über eine elektronisch geregelte Drosselklappe (12) Luft in den Einlasskrümmer einspeist, wobei die Turbine variabler Geometrie durch ein VGT-Regelungssignal (u_vgt) kontrolliert wird, wobei die elektronisch variable Drosselklappe (12) durch ein Drosselregelungssignal (u_thr ) kontrolliert wird, und wobei das Computerspeichermedium gekennzeichnet ist durch: Code zur Bestimmung der Motordrehmoment-Anforderung und Motordrehzahl; Code zur Bestimmung eines gewünschten Einlasskrümmerdruckes p_int,des und eines gewünschten Abgaskrümmerdruckes p_exh,des aus der bestimmten Drehmomentanforderung und Motordrehzahl; Code zur Bestimmung eines vorwärtsgekoppelten Drosselsignals u_thr,des und eines vorwärtsgekoppelten VGT-Signals u_vgt,des gemäß der gemessenen Motordrehzahl und dem bestimmten gewünschten Ansaugkrümmerdruck p_int,des; Code zur Bestimmung des Motoreinlasskrümmerdruckes p_int und Motorabgaskrümmerdruckes p_exh; Code zur Bestimmung eines ersten Fehlersignals p_int–p_int,des zwischen dem gemessenen und dem gewünschten Einlassdruck und eines zweiten Fehlersignals p_exh–p_exh,des; Code zur Bildung eines gewichteten Summensignals e_vgt als:
wobei w eine Zahl zwischen 0 und 1 ist; Code zur Kombination des bestimmten vorwärtsgekoppelten Drosselsignals u_thr,des mit dem gebildeten ersten Fehlersignal p_int–p_int,des multipliziert mit einer Verstärkung k_p,thr und dem Integralzustand des gebildeten ersten Fehlersignals p_int–p_int,des multipliziert mit einer Verstärkung k_i,thr zur Erzeugung eines Signals e_thr'(t); Code zur Kombination des bestimmten vorwärtsgekoppelten VGT-Signals u_vgt,des mit einem Signal e_vgt', welches das gebildete Signal e_vgt multipliziert mit einer Verstärkung k_p,vgt und der Integralzustand des gebildeten Signals e_vgt multipliziert mit k_i,vgt ist; Code zur Addition des Signals e_thr '(t) zum bestimmten vorwärtsgekoppelten Signal u_thr,des zur Erzeugung eines ersten zusammengesetzten Signals u_thr, Code zur Zufuhr dieses ersten zusammengesetzten Signals zur Drossel (12); Code zur Addition des Signals e_vgt'(t) zum Signal u_vgt,des (t), um ein zweites zusammengesetztes Signal u_vgt(t) zu erzeugen, und Code zur Zufuhr eines derartigen zweiten zusammengesetzten Signals u_vgt(t) zum VGT.
Vorrichtung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermedium Code zur Vorhersage der Motordrehmoment-Anforderung sowie Code zur Erzeugung von Drossel- und VGT-Kommandos als Funktion des vorhergesagten Motordrehmoments während eines Vorhersagemodus aufweist.
Motorsteuerungsanordnung umfassend: einen Motor mit: einem Einlasskrümmer (26); einem Abgaskrümmer (28); einem Kompressor (36); einer elektronisch kontrollierten Drossel (12); einer Turbine (38) variabler Geometrie, die mit Abgas aus dem Abgaskrümmer gespeist wird, wobei die Turbine mit dem Kompressor (36) verbunden ist; wobei der Kompressor (36) Luft durch eine elektronisch geregelte Drossel (12) zum Einlasskrümmer speist, wobei die Turbine variabler Geometrie durch ein VGT-Regelungssignal (u_vgt) kontrolliert wird, wobei die elek tronisch variable Drossel durch ein Drosselregelungssignal (u_thr) kontrolliert wird; einen Prozessor (24) zur Verwendung einer Differenz zwischen einem tatsächlichen Einlasskrümmerdruck (p_int) und einem gewünschten Einlasskrümmerdruck (p_int,des) und einer Differenz zwischen einem tatsächlichen Abgaskrümmerdruck (p_exh) und einem gewünschten Abgaskrümmerdruck (p_exh,des) in einem zusammengesetzten Signal, um das VGT-Regelsignal (u_vgt) bereitzustellen, und der Differenz zwischen dem tatsächlichen Einlasskrümmerdruck (p_int) und dem gewünschten Einlasskrümmerdruck (p_int,des) zur Erzeugung des Drosselregelungssignals (u_thr)
Motorsteuerungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessor: ein erstes Fehlersignal p_int–p_int,des zwischen einem gemessenen Einlasskrümmerdruck p_int und einem gewünschten Einlassdruck p_int,des sowie ein zweites Fehlersignal p_exh–p_exh,des zwischen einem gemessenen Abgaskrümmerdruck p_exh und einem gewünschten Abgaskrümmerdruck p_exh,des bildet; eine erste Funktion des ersten Fehlersignals und des zweiten Fehlersignals zu dem VGT-Signal führt; eine zweite Funktion des ersten Fehlersignals zur Drossel (12) führt.
Motorsteuerungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Funktion die Bildung eines gewichteten Summensignals e_vgt umfasst gemäß:
wobei w eine Zahl zwischen 0 und 1 ist.
Motorsteuerungsanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessor: ein Signal e_vgt' bildet, welches das gebildete Signal e_vgt multipliziert mit einer Verstärkung k_p,vgt und der Integralzustand des gebildeten Signals e_vgt multipliziert mit k_i,vgt ist; und das Signal e_vgt' dem VGT (14) zuführt.
Motorsteuerungsanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessor ein Signal e_thr' bildet, welches das erste Fehlersignal p_int–p_int,des multipliziert mit einer Verstärkung k_p,thr und der Integralzustand des gebildeten ersten Fehlersignals p_int–p_int,des multipliziert mit einer Verstärkung k_i,thr darstellt.