DE10349490A1

DE10349490A1 - System und Verfahren für die Schätzung und Regelung der Zylinderluftladung bei einem Innenverbrennungsmotor mit Direkteinspritzung

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Publication number: DE10349490A1
Application number: DE10349490A
Authority: DE
Inventors: Jing Bloomfield Sun; Ilya V. Ypsilanti Kolmanovsky
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2002-11-05
Filing date: 2003-10-23
Publication date: 2004-08-19
Also published as: GB2395297A; US6805095B2; GB0325654D0; US20040084015A1

Abstract

Verfahren für das Steuern der Zylinderladung in einem fremdgezündeten Motor mit Direkteinspritzung. Der Motor weist einen Ansaugkrümmer und ein elektronisch gesteuertes Drosselklappen(ETC)-Ventil auf, das den Luftstrom von der Atmosphäre zum Ansaugkrümmer des genannten Motors regelt. Das Verfahren umfaßt: Messen eines Ansaugkrümmerdurckwertes P¶i¶, Messen eines Stromwertes W¶thr,m¶, der den Strom durch die ETC-Drosselklappe angibt, Bestimmen eines gewünschten Ansaugkrümmerdruckwertes P¶i.d¶, Bestimmen einer gewünschten ETC-Ventilstellung u¶thr,d¶, Bestimmen eines gewünschten Stroms W¶thr.d¶ durch das ETC-Ventil und Anpassen der genannten ETC-Ventilstellung u¶thr¶ aufgrund folgender Gegebenheiten: der genannten gewünschten ETC-Ventilstellung u¶thr,d¶, einer Differenz zwischen dem gemessenen Ansaugkrümmerdruckwert P¶i¶ und dem bestimmten gewünschten Ansaugkrümmerdruckwert P¶i.d¶ und einer Differenz zwischen dem gemessenen Stromwert W¶thr,m¶ durch das ETC-Ventil und dem bestimmten gewünschten Strom W¶thr.d¶. Es werden auch eine zylinderinterne Anpassung sowie eine Drosselklappenkörperanpassung geliefert.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung bezieht sich auf Innenverbrennungsmotoren und insbesondere auf Systeme und Verfahren zur Regelung und Schätzung der Zylinderluftladung bei Innenverbrennungsmotoren mit Direkteinspritzung
HINTERGRUND
Es ist dem Fachmann bekannt, daß Schätzungen und Regelung der Zylinderluftladung bei der Erfüllung von Leistungsanforderungen an Motoren mit fortschrittlicher Technologie, wie z.B. fremdgezündete Motoren mit Direkteinspritzung (DISI-Motoren), wichtig sind. Das Ziel der Luftladungsregelung bei fremdgezündeten Magermotoren liegt darin, ein elektronisches Drosselklappenventil und das Abgasrückführungs(EGR)-Ventil in einer solchen Weise zu betätigen, daß der gewünschte Gasstrom in den Motor und der gewünschte Anteil verbrannten Gases in diesem Strom zur NO_x-Reduzierung erreicht werden. Ein sekundäres Ziel der Luftladeregelung ist die Lieferung von aktualisierten Schätzungen der Bedingungen im Zylinder hinsichtlich Ladungsmenge und Anteil verbrannter Gase als Inputs für die anderen Motormanagementsystem(EMS)-Funktionen, wie z.B. Drehmoment- und Kraftstoffzufuhrregelung. Diese Funktion wird als Ladungsschätzung bezeichnet. Die an sich bekannte Herangehensweise an die Zylinderluftladeregelung ist ein offener Regelkreis, wodurch die gewünschten Massenstrommengen durch das EGR-Ventil und die Drosselklappe als Funktionen des gewünschten Anteils an verbrannten Gasen im Ansaugkrümmer und des verbrannten Gasen im Ansaugkrümmer und des gewünschten Gasstroms in die Zylinder unter Verwendung der Öffnungsgleichung berechnet werden.
Bei einem typischen DISI-Motor wird eine elektronische Drosselklappe (ETC) dazu verwendet, die Ansaugfrischluft zu regeln, während verbranntes Gas aus dem Abgaskrümmer über ein Abgasrückführungs(EGR)-Ventil zurück in den Ansaugkrümmer geführt wird. Ein weiteres Ventil, das als Drallsteuerventil (SCV) oder eine sonstige Bewegungsvorrichtung, wie z.B. Nockenprofilumschaltung (CPS) sind ebenfalls im Ansaugsystem vorhanden, um verschiedene Drallverhältnisse und demzufolge eine Mischungsbewegung im Zylinder zu erreichen, die insbesondere im Schichtladebetrieb den Verbrennungsprozeß optimiert.
Schwierigkeiten bei der Entwicklung eines einfachen und robusten Zylinderluftladungs-Steuergerätes für einen DISI-Motor resultieren aus verschiedenen besonderen, mit dem Mager- und dem Schichtladebetrieb verbundenen Eigenschaften. Zunächst enthält der Strom durch das EGR-Ventil unverbrannte Luft, die bei dem vorangegangenen Verbrennungsvorgang nicht verbraucht wurde, wenn der Motor mager arbeitet, und dies führt verbunden mit den Ansaugkrümmerdynamiken zu zusätzlichen Schwierigkeiten bei der genauen Schätzung des Anteils verbrannten Gases im Zylinder. Darüber hinaus sind genaue Luftdurchsatzschätzungen über die Öffnungsgleichung bei hohen Krümmerdrücken, unter denen DISI-Motoren möglicherweise häufig arbeiten, schwer zu erhalten. Ferner ist das Entstehen von Ruß und sonstigen Ablagerungen in der EGR-Leitung und in den Einlaßöffnungen bei DISI-Motoren wegen des Schichtladebetriebs und des hochvolumigen EGR-Stroms gravierender. Die Ablagerungen verändern die Ventilstrom- und Motoratmungseigenschaften und bewirken, daß das Laderegelungssystem sehr anfällig gegenüber Alterung ist. Weitere Faktoren, wie z.B. Aktuatorungenauigkeiten aufgrund von Reibung und Quantisierung, tragen auch zur Verkomplizierung des Problems bei.
Wie dem Fachmann bekannt ist, wurden Ladungsschätzungen im offenen Regelkreis und entsprechender Regelung für einen an sich bekannten Motor mit Einlaßkanaleinspritzung genutzt. Bei einer Schätzung der Ladung eines DISI-Motors im offenen Regelkreis basieren die Schätzungen von Strömen durch das Drosselklappen- und das EGR-Ventil auf der Öffnungsgleichung, der Strom in den Zylinder basiert auf der Drehzahldichtegleichung, und der Anteil an verbranntem Gas im Ansaugkrümmer basiert auf dem Krümmerdynamikmodell und der Massenbilanz von Luft und verbranntem Gas. Im einzelnen liefert die Standard-Öffnungsgleichung in der Anwendung auf das Drosselklappen- und das EGR-Ventil die folgenden Schätzungen für W_thr (d.h. also die durch die Drosselklappe hindurchtretende Frischluft) und W_egr (d.h. also das durch das EGR-Ventil strömende zurückgeführte Gas):
worin feine Funktion (fcn) des stromauf bestehenden Drucks, der stromauf bestehenden Temperatur und des Druckverhältnisses über das Drosselklappenventil und das EGR-Ventil ist, die sich ergeben aus:
und γ das Verhältnis spezifischer Hitze ist (γ = 1,4; P_i, P_exh, P_amb sind die Drücke im Ansaugkrümmer und Abgaskrümmer, jeweils bei Umgebungsbedingungen, T_amb, T_exh sind die Temperaturen bei Umgebungsbedingungen bzw. im Abgas. Die Parameter u_thr und u_egr sind effektive Stromflächen für das Drosselklappen- bzw. das EGR-Ventil als Funktionen direkter Steuerbefehle: Drosselklappenwinkel θ_thr (0 Grad – 90 Grad) und der Prozentsatz der Öffnung des EGR-Ventils d_egr (0 bis 100 %). Diese beiden Funktionen hängen von der geometrischen Konfiguration des Drosselklappen- bzw. des EGR-Ventils zusammen und werden aufgrund von experimentellen Daten ermittelt. Beim Kalibrieren dieser beiden Funktionen werden numerische Werte von u_thr und u_egr zunächst aufgrund der Motorkennfelddaten unter Verwendung der Gleichungen (1) und (2) für verschiedene Drosselklappenund EGR-Ventilöffnungen berechnet. Standardregressionstechniken werden angewandt, um u_thr mit θ_thr, u_egr bzw. mit d_egr zu korrelieren.
Die Standardvorgehensweise der Steuerung der Zylinderluftladung und des Anteils verbrannter Gase im Ansaugsystem im offenen Regelkreis besteht aus drei Schritten:

1. Gegeben seien das gewünschte Abgas-Luft-zu-Kraftstoff-Verhältnis r_exh,d, der gewünschte Zustrom in den Zylinder W_cyl,d und der gewünschte Anteil von verbrannten Gasen im Ansaugkrümmer F_in,d, zu ermitteln sind der gewünschte EGR-Strom W_egr,d und der Drosselklappenstrom W_thr,d:
2. Ermitteln des gewünschten Ansaugkrümmerdrucks P_i,d aus der nachstehend angegebenen Drehzahldichtegleichung (7) für gegebene W_cyl,d, σ und N, wobei die Einstellung σ für das Drallsteuerventil üblicherweise auf der Grundlage einer vorab gespeicherten Lookup-Tabelle ermittelt wird.
3. Umkehren der Öffnungsstromdarstellungen und der effektiven Flußbereichfunktionen zur Bestimmung der gewünschten Befehle für die effektiven Stromflächen des Drosselklappen- und des EGR-Ventils

Anschließendes Umkehren der Funktion der effektiven Stromfläche des Drosselklappen- und des EGR-Ventils zur Ermittlung der gewünschten Befehle für die Drosselklappen- und EGR-Ventilstellungen θ_thr, d_egr.
Die oben beschriebene Ladungsschätzung im offenen Regelkreis und der oben beschriebene Steueransatz haben den Vorteil, einfach, intuitiv und gut verständlich zu sein. Ihr fundamentaler Nachteil ist jedoch die fehlende Robustheit. Insbesondere behandelt diese Vorgehensweise im offenen Regelkreis die folgenden Fragen nicht, die insbesondere für den DISI-Motorbetrieb von Bedeutung sind: Einschränkungen und Empfindlichkeiten der Öffnungsgleichung unter den Bedingungen hohen Ansaugkrümmerdrucks (Druckabfall nahe bei 1); Fehlen von On-Board-Messungen des Abgaskrümmerdrucks und der Temperatur und Aufbau von Rußablagerungen und deren Auswirkungen auf das Motorverhalten. Eine weitere Schwierigkeit der Verwendung der Öffnungsgleichung für die Stromschätzung ist die, daß sie sich auf die Kenntnis von stromaufseitigem Druck und Temperatur verläßt. Insbesondere beim EGR-Ventil schwanken stromaufseitige (d.h. Abgas-) Temperatur und Druck in einem breiten Bereich, und es ist bei den meisten serienmäßigen Fahrzeugen keine On-Board-Messung für diese Variablen verfügbar. Jeder Fehler bei der geschätzten Abgastemperatur und dem Abgasdruck beeinträchtigen weiter die Qualität der Stromschätzung.
Der Aufbau von Ruß im Ansaugsystem oder in der EGR-Leitung ist ein weiteres bedeutendes Problem für einen DISI-Motor mit Schichtladung. Dies beruht weitgehend auf der Schichtladeverbrennung und dem großen Volumen an EGR- Strom. Es ist sehr schwierig, wenn nicht unmöglich, die Auswirkungen von Ablagerungen auf der tatsächlichen Stromfläche im Zeitablauf vorherzusagen.
ZUSAMMENFASSUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Regelung der Zylinderladung bei einem fremdgezündeten Motor mit Direkteinspritzung geliefert. Der Motor weist einen Ansaugkrümmer und ein elektronisch gesteuertes Drosselklappen(ETC)-Ventil auf, das den Luftstrom von der Atmosphäre zum Ansaugkrümmer des genannten Motors regelt. Das Verfahren umfaßt: Messen eines Ansaugkrümmerdruckwertes P_i, Messen eines Stromwertes W_thr,m, der für den Strom durch die ETC-Drosselklappe charakteristisch ist, Bestimmen eines gewünschten Ansaugkrümmerdruckwertes P_i.d, Bestimmen einer gewünschten ETC-Ventilstellung u_thr,d, Bestimmen eines gewünschten Stroms W_thr.d durch das ETC-Ventil und Anpassen der genannten ETC-Ventilstellung u_thr aufgrund folgender Gegebenheiten: der genannten gewünschten ETC-Ventilstellung u_thr,d, einer Differenz zwischen dem gemessenen Ansaugkrümmerdruckwert P_i und dem bestimmten gewünschten Ansaugkrümmerdruckwert P_i.d und einer Differenz zwischen dem gemessenen Stromwert W_thr,m durch das ETC-Ventil und dem bestimmten gewünschten Strom W_thr,d.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird ein Verfahren für die Regelung der Zylinderladung in einem fremdgezündeten Motor mit Direkteinspritzung geliefert. Der Motor weist einen Ansaugkrümmer und ein elektronisch gesteuertes Drosselklappen(ETC)-Ventil auf, das den Luftstrom von der Atmosphäre zum Ansaugkrümmer des genannten Motors regelt. Das Verfahren umfaßt: Parametrisieren des Luftstroms durch das ETC-Ventil als:
worin
und
Schätzparameter sind,
ein nominaler vorhergesagter Strom durch das ETC-Ventil, wobei der genannte vorhergesagte Strom eine Funk tion der gemessenen ETC-Ventilstellung und des gemessenen Ansaugkrümmerdrucks ist. Differenzen zwischen dem gemessenen Strom durch das ETC-Ventil und dem vorhergesagten Strom durch das ETC-Ventil werden ermittelt. Die Schätzparameter werden entsprechend den ermittelten Differenzen modifiziert. Ein gewünschter Luftstrom durch das ETC-Ventil wird durch Einstellen der ETC-Ventilstellung u_thr entsprechend dem parametrisierten Luftstrom geliefert, wobei der genannte parametrisierte Luftstrom eine Funktion der Schätzparameter ist.
Bei einer Ausführungsform wird der vorhergesagte nominale Strom aus der Standard-Öffnungsstromgleichung abgeleitet.
Bei einer Ausführungsform werden die Schätzparameter modifiziert entsprechend:
worin

Anpassungsgewinne sind, t + T_a eine Zeit ist, zu der die genannten Anpassungsparameter aktualisiert werden, und W_thr,m der gemessene Strom durch das ETC-Ventil ist.
Bei einer Ausführungsform wird die Anpassung deaktiviert, wenn der Ansaugkrümmerdruck relativ hoch ist und das ETC-Ventil einen relativ bedeutenden transienten Zustand durchläuft.
Bei einer Ausführungsform umfaßt das Modifizieren das Schätzen des Stroms durch das ETC-Ventil.
Bei einer Ausführungsform umfaßt das Schätzen die Verwendung eines Anpassungsalgorithmus.
Entsprechend einem weiteren Merkmal der Erfindung wird ein Verfahren für die Regelung der Luftladung bei einem fremdgezündeten Motor mit Direkteinspritzung geliefert. Der Motor weist ein Abgasrückführungs(EGR)-Ventil, das den Auspuffkrümmer mit dem Ansaugkrümmer des Motors verbindet, und ein elektronisch gesteuertes Drosselklappen(ETC)-Ventil auf, das den Luftstrom von der Atmosphäre zum Ansaugkrümmer des genannten Motors regelt. Das Verfahren umfaßt die Lieferung einer Schätzfunktion für die Schätzung des Stroms durch das EGR-Ventil. Während eines Kalibrierungsmodus führt das Verfahren aus: (a) das Anlegen einer Schrittfunktion an die Schätzfunktion, wobei die genannte Schätzfunktion eine dynamische Reaktion aufweist, die für die angewandte Schrittfunktion charakteristisch ist, wobei diese dynamische Reaktionscharakteristik eine Funktion eines Parameters in einer solchen Schätzfunktion ist, (b) Vergleich der dynamischen Reaktionscharakteristik der Schätzfunktion auf die Schrittfunktion mit der dynamischen Reaktionscharakteristik, die entsprechend der Öffnungsgleichung geliefert wird, die auf das Ansaugdrosselklappen- und das EGR-Ventil Anwendung findet, und (c) Einstellen des Parameters der Schätzfunktion auf einen Wert, bei dem die dynamische Reaktionscharakteristik, die von der Schätzfunktion geliefert wird, im wesentlichen zu einer vorherbestimmten dynamischen Reaktion paßt. Während eines anschließenden normalen Betriebsmodus wird die Schrittfunktion entfernt, und die Schätzfunktion verwendet den gelieferten gewünschten Wert für die Schätzung des Stroms durch das EGR-Ventil.
Nach einem weiteren Erfindungsmerkmal wird ein Verfahren für die Regelung der Luftladung bei einem fremdgezündeten Motor mit Direkteinspritzung geliefert. Der Motor weist ein Abgasrückführungs(EGR)-Ventil, das den Auspuffkrümmer mit dem Ansaugkrümmer des Motors verbindet, und ein elektronisch gesteuertes Drosselklappen(ETC)-Ventil auf, das den Luftstrom von der Atmosphäre zum An saugkrümmer des genannten Motors regelt. Das Verfahren umfaßt: (A) das Messen eines Ansaugkrümmerdruckwertes, (B) das Schätzen des Stroms in den Zylinder als Funktion des gemessenen Ansaugkrümmerdrucks, (C) das Modifizieren des geschätzten Stroms in den Zylinder mit einem zeitvariablen Faktor, (D) das Bestimmen bei geöffnetem EGR-Ventil des zeitvariablen Faktors als Funktion der Differenz zwischen dem gemessenen Strom durch das ETC-Ventil und dem modifizierten geschätzten Strom in den Zylinder mit einem vorbestimmten Faktor. Weitere erfindungswesentliche Merkmale gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der mit Bezug auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele erläutert werden. In den Zeichnungen zeigen:
1 ein schematisches Diagramm eines Motorsystems nach der Erfindung;
2 ein Kennfeld der Beziehung zwischen einem Zylinderladestrom des Motors nach 1 und dem Ansaugkrümmerdruck eines solchen Motors bei einer Reihe von Motorbetriebszuständen;
3 ein Blockdiagramm einer in einem Steuersystem nach der Erfindung für den Motor nach 1 verwendeten Schätzfunktion;
4, 5 und 6 Zeitabläufe, die für das Verstehen der Kalibrierung der Schätzfunktion nach 3 nützlich sind;
7 ein Block-/Flußdiagramm, das für das Verständnis des Betriebs eines Ansaugkrümmer-Drosselventil- und eines EGR-Ventil-Steuersystems nach der Erfindung für den Motor nach 1 nützlich ist;
7A ein Blockdiagramm des Drosselklappensteuersystems nach 7, wenn eine Drosselklappenkörperanpassung entsprechend der Erfindung genutzt wird;
7B ein Flußdiagramm, das für das Verständnis nützlich ist, wenn die Anpassung nach 7A durch das Steuersystem nach 7 verwendet wird;
8 ein Blockdiagramm eines in dem System nach 7 erfindungsgemäß genutzten Adapters für den Strom in den Zylinder;
9 ein Blockdiagramm eines in dem System nach 7 erfindungsgemäß genutzten Drosselklappenkörperadapters;
10 bis 13 Zeitabläufe verschiedener Motorparameter unter Verwendung des Steuersystems nach den 7 und 7A.
Gleiche Bezugszeichen in verschiedenen Zeichnungen bezeichnen gleiche Elemente.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf 1 wird ein Blockdiagramm des Steuersystems nach der vorliegenden Erfindung beschrieben. Das System umfaßt ein elektronisches Motorsteuergerät, das allgemein mit 10 bezeichnet wird und das wie vorstehend angegeben ROM, RAM und CPU aufweist. Das Steuergerät 10 steuert eine Reihe von Injektoren 12, die Kraftstoff in einen hier zur Erläuterung gezeigten fremdgezündeten Dreizylinder-Magerbenzinmotor 20 einspritzen, wobei festgehalten wird, daß der Motor typischerweise weitere Zylinder aufweisen würde. Der Kraftstoff wird durch ein (nicht gezeigtes) Hochdruck-Kraftstoffsystem zugeführt und in präzisen Mengen und zu präzisen Zeiten direkt in die Verbrennungsräume eingespritzt, wie dies vom Steuergerät 10 bestimmt wird. Durch den Ansaugkrümmer 22 tritt Luft in die Verbrennungsräume ein, und die Verbrennungsgase werden durch den Auspuffkrümmer 24 abgegeben. Ein elektronisch gesteuertes Drosselklappenventil 26 wird vom Steuergerät 10 so positioniert, daß der Massenluftdurchsatz (MAF) in den Ansaugkrümmer 22 gesteuert wird. Ein Luftmengen- oder Massenluftsensor (MAF) 28 ist stromauf des Ventils 26 angeordnet und liefert dem Steuergerät 10 ein Signal, das einen Wert berechnet, der für die in das Ansaugsystem strömende Luftmasse charakteristisch ist. Das Steuergerät 10 überträgt ein Kraft stoffinjektorsignal an die Injektoren 12, um ein gewünschtes Motordrehmoment abzugeben und ein gewünschtes Luft-/Kraftstoffverhältnis aufrechtzuerhalten.
Um den Wert der NO_x-Emissionen zu mindern, weist der Motor 20 ein Abgasrückführungs(EGR)-System 30 auf. Das EGR-System 30 weist eine Leitung 32 auf, die den Auspuffkrümmer 24 mit dem Ansaugkrümmer 22 verbindet. Dies erlaubt es, daß ein Teil der Abgase vom Auspuffkrümmer 24 in Richtung des Pfeils zum Ansaugkrümmer 22 geführt wird. Ein EGR-Ventil 34, das durch das Steuergerät 10 gesteuert wird, regelt die Menge an Abgas, die vom Auspuffkrümmer zurückgeführt wird. In den Verbrennungsräumen wirkt das zurückgeführte Abgas als ein Edelgas, womit die Flamm- und die zylinderinterne Gastemperatur gesenkt und die Bildung von NO_x gemindert wird. Auf der anderen Seite verdrängt das zurückgeführte Abgas Frischluft und mindert das Luft-/Kraftstoffverhältnis der zylinderinternen Mischung.
In dem Steuergerät 10 werden Befehlssignale an die Aktuatoren für die Positionierung des EGR-Ventils 34 und des Drosselklappenventils 26 aufgrund gemessener Variablen und Betriebsparametern mit Hilfe von Steueralgorithmen berechnet. Sensoren und kalibrierbare Lookup-Tabellen liefern dem Steuergerät 10 Informationen zum Motorbetrieb. Beispielsweise liefert der MAP-Sensor 36 ein Signal an das Steuergerät 10, das für den Druck im Auspuffkrümmer 24 charakteristisch ist. Ein Ansaugkrümmertemperatursensor 38 liefert dem Steuergerät 10 ein Signal, das für die Temperatur des Gases im Ansaugkrümmer charakteristisch ist. Die Sensoren 36 und 38 können, wenn dies gewünscht wird, kombiniert werden. Zusätzliche Sensoreingaben können vom Steuergerät 10 erhalten werden, wie z.B. Motorkühlmitteltemperatur, Motordrehzahl, Drosselklappenstellung sowie Umgebungstemperatur und barometrischer Druck. Aufgrund der Sensoreingaben und der im Speicher abgespeicherten Motorkennfelddaten steuert das Steuergerät die EGR- und Drosselklappenventile in der Weise, daß der Ansaugluftstrom geregelt wird. Der Motor weist Zündkerzen 45 und Drallsteuerventile (SCV) 47 auf, oder eine sonstige Vorrichtung zur Bewegung der Ladungen, wie z.B. Nockenprofilumschaltung (CPS) ist auch im Ansaugsystem vorhanden, um Drallverhältnisse zu erzeugen und damit die Mischungsbewegung im Zylinder zu lie fern, welche den Verbrennungsprozeß, insbesondere beim Schichtladebetrieb, optimiert.
Eine beheizte Lambdasonde (HEGO) 40 oder eine universelle Lambdasonde (UEGO) 41 ermittelt den Sauerstoffanteil in dem durch den Motor erzeugten Abgas und übermittelt ein entsprechendes Signal an das Steuergerät 10. Die Sonde 40 wird zur Steuerung des Motor-Luft-/Kraftstoffverhältnisses insbesondere während des stöchiometrischen Betriebs verwendet. Ein Abgassystem, welches eines oder mehrere Auspuffrohre umfaßt, transportiert das aus der Verbrennung eines Luft-/Kraftstoffgemischs im Motor erzeugte Abgas zu einem an sich bekannten enggekoppelten Dreiwege-Katalysator (TWC) 42. Der Katalysator 42 enthält ein Katalysatormaterial, das Abgas, das vom Motor erzeugt wird, chemisch verändert, um ein katalysiertes Abgas zu erzeugen. Das katalysierte Abgas wird über ein Auspuffrohr 44 zu einer stromab gelegenen NO_x-Falle 46 und von dort über ein Endrohr 48 in die Atmosphäre geleitet. Ein Sensor 43 ist für die Messung der Abgastemperatur vorgesehen.
Wie dies üblicherweise getan wird, werden die nachstehend diskutierten Steuerund Anpassungsalgorithmen in kontinuierlicher Form spezifiziert. Es ist jedoch klar, daß für die tatsächliche Umsetzung die Algorithmen diskretisiert werden, indem entweder eine zeitsynchrone oder eine kurbelwellensynchrones Samplingverfahren gewählt wird, und (gegebenenfalls) die durch das Sampling verursachte Verzögerung kompensiert wird. Die von den Algorithmen verwendeten Signale sind gefilterte Formen der gemessenen Signale. Die Filter beseitigen die periodischen Schwankungen und Störungen in den Signalen, so daß Mittelwerte der Signale für Steuerung und Adaptierung zur Verfügung stehen. Lineare Filter der ersten oder zweiten Ordnung bzw. kurbelwellensynchrones Sampling sind Standardverfahren zur Ableitung des Mittelwertes aus einem Signal. Im folgenden werden sämtliche Signale mit ihren Mittelwerten identifiziert und bezeichnet. Steuergeräte, die integral wirken, wie z.B. proportionale plus integrale (PI) Steuergeräte, verwenden Antiwindup-Kompensation. Diese Lösung wird gewählt, um Steuersignalsaturierung aufgrund von Aktuatorgrenzen zu beherrschen.
Während die Verwendung von Rückkopplungen Unsicherheiten kompensieren und die Systemrobustheit verbessern kann, werden doch einige Schwankungen besser durch die Verwendung von Adaptierung beherrscht. Die Schätzung des Stroms im Zylinder und die Drosselklappenstromschätzungen sind zwei gute Beispiele, bei denen die Verwendung von Adaptierung sowohl wünschenswert wie auch machbar ist. Im Gegensatz zur EGR-Stromschätzung können zufriedenstellende Schätzungen für W_cyl, und W_thr durch sorgfältige Kalibrierung erhalten werden, wenn die Motorcharakteristika gegeben und unveränderlich sind. Die Schwankungen, die zu Ungenauigkeiten bei den Schätzungen W_thr und W_cyl führen können, wie z.B. Rußablagerungen und Komponentenalterung, zeigen sich im allgemeinen langsam und graduell im Zeitablauf. Adaptive Techniken sind sehr effektiv bei der Kompensation solcher sich langsam verändernden Unsicherheiten, ohne daß notwendigerweise die Steuerwirksamkeit der auf Annahmen beruhenden und der auf tatsächlichen Messungen beruhenden Steuerung beeinträchtigt wird. In der Tat kann die Adaptierung des Kennfeldes für Annahmen, die zur Rückverfolgung der gewünschten Drosselklappenstellung aufgrund der gewünschten Drosselklappenstromrate (siehe Gleichung (5)) verwendet wird, die transiente Reaktion des Gesamtsystems verbessern. Während die Rückkopplung bei Integralverhalten auch Fehlanpassung bei dem Kennfeld für Annahmen kompensieren kann, wird eine solche Korrektur, die in den Wert des integralen Status eingebettet wird, nicht „erinnert" und ist demzufolge in Transienten sehr viel weniger effektiv. Ein Adaptionsschema leidet nicht unter dem gleichen Nachteil, unter der Voraussetzung, daß eine gute Parametrisierung gewählt wird, soweit die Unsicherheiten vollständig auf unbekannte Parameter beschränkt sind.
SCHÄTZUNG DES LUFTSTROMS IM ZYLINDER
Die Drehzahldichtegleichung, die der ähnelt, die für die Schätzung des Luftstroms im Zylinder bei Einlaßkanaleinspritzungsmotoren (PFI) verwendet wird, wird auch beim DISI-Motor angewandt. Konkret wird der Zylinderstrom W_cyl geschätzt nach:
worin T_i die Ansaugkrümmertemperatur (K) und σ die Stellung des Drallsteuerventils (im Prozentsatz der Öffnung 0 bis 100 %) ist. Der Faktor
stellt den Strom im Zylinder unter der nominalen Ansaugbedingung bei Temperatur T₀ dar. Hier werden die Motordaten (T₀ = 293.15K = 20°C) für verschiedene Motordrehzahlen bei verschiedenen Ansaugkrümmerdrücken und Drallsteuerventileinstellungen regrediert, um die Funktionen von
zu erhalten. Die Ergebnisse werden in 2 dargestellt, die W_cyl als Funktion von P_i bei geschlossenem EGR-Ventil graphisch darstellt. Es wird angemerkt, daß das Verhältnis im wesentlichen linear ist bei jeder gegebenen Motordrehzahl und Drallsteuerventilstellung. Weiter wird angemerkt, daß die Neigung jeder linearen Kurve
lautet, und der Wert von W_cyl bei P_i = 0
ist. Im Vergleich zu den Atmungscharakteristika eines konventionellen PFI-Motors liegt der einzige Unterschied in den Wirkungen der Stellung des Drallsteuerventils. Es kann aus 2 entnommen werden, daß die Wirkungen des Drallsteuerventils solange nicht signifikant sind, wie die Motordrehzahl N nicht hohe Drehzahlen (≥ 3000 rpm) erreicht.
Der Anteil verbrannter Gase im Ansaugtrakt kann geschätzt werden, indem das einströmende und ausströmende verbrannte Gas für den Ansaugkrümmer zurückverfolgt und ein isothermes Ansaugkrümmerfüllungsmodell verwendet wird:
worin P_bg der partielle Druck des verbrannten Gases im Ansaugkrümmer, K_i = R/V_intake mit R = 283 die Gaskonstante und V_intake das Ansaugkrümmervolumen ist. F_exh ist der Anteil verbrannten Gases im Abgas, der aufgrund des Abgas-Luft/Kraftstoffverhältnisses r_exh berechnet werden kann als
worin r_stoich = 14,64 der stöchiometrische Wert des Luft-/Kraftstoffverhältnisses ist.
BEOBACHTUNG DES EGR-STROMS IM GESCHLOSSENEN REGELKREIS
Unter den oben erwähnten Problemen ist die Verwendung der Öffnungsgleichung zur Vorhersage des Stroms durch das EGR-Ventil ein sehr schwierig zu lösendes Problem. Es gibt keine Einzelfunktion des u_egr, die verwendet werden kann, um die Daten anzupassen, selbst wenn sowohl der Abgasdruck als auch die Abgastemperatur gemessen werden, da die Streuung in den Daten bei hohen Ansaugkrümmerdrücken und bei weiterer Öffnung des EGR-Ventils verbreiteter auftreten. Dies deshalb, weil das EGR-Ventil einer dynamischeren Umgebung ausgesetzt werden, wobei die durch Motorvorgänge ausgelöste Impulsbewegung die „stetige adiabatische reversible Strom"-Annahme für die Öffnungsgleichung verletzt. Zur Milderung der Einschränkungen der oben erörterten EGR-Stromschätzung im offenen Regelkreis wird ein Beobachtungsschema im geschlossenen Regelkreis beschrieben, das darauf abzielt, die Robustheit zu verbessern. Es verwendet die zeitbezogene Veränderungsrate des Ansaugkrümmerdrucks in Verbindung mit dem gemessenen Drosselklappenstrom und dem geschätzten Strom im Zylinder, um daraus den Strom durch das EGR-Ventil zu folgern, womit die Abhängigkeit von der Öffnungsgleichung und der Messungen von Abgasdruck und -temperatur beseitigt wird.
In der Annahme der Messungen des Ansaugkrümmerdrucks P_i sind der Drosselklappenstrom W_thr und die Schätzung des Zylinderstroms W_cyl,est (d.h. W ^ _cyl) präzise und verläßlich, und es kann ein in Block 302 in 3 gezeigter Beobachter für den EGR-Strom konstruiert werden als W ^egr = α0Pi – ε, = α0cm(Wegr – Wegr,ss) (8) Wegr,ss = wcyl.est – Wthr,m,worin c_m = RT_i/V_i, T_i, V_i der Ansaugkrümmerdruck bzw. dessen Volumen sind, W_egr,rss die Schätzung des Stroms durch das EGR-Ventil bei konstanten Bedingungen, W_thr,m der Ansaugkrümmerstrom, gemessen durch MAP 36 (1).
Es gibt eine Reihe von wesentlichen Vorteilen bei der Verwendung des Beobachters im geschlossenen Regelkreis 302 anstelle der Öffnungsgleichung für die EGR-Schätzung. Zunächst hängt er nicht ab von dem Modell der effektiven EGR-Stromfläche und gestaltet dementsprechend die Schätzung hinsichtlich des Aufbaus von Rußablagerungen robust. Zweitens verläßt er sich nicht auf die Messungen von Abgaskrümmerdruck und -temperatur, die in den meisten Serienfahrzeugen nicht verfügbar sind. Drittens verschlechtert die Genauigkeit von (8) sich nicht in dem Maße, wie das Druckverhältnis im Ventil sich 1 nähert, was es nicht nur anwendbar für Saugmotoren, sondern auch für aufgeladene Motoren macht. Viertens gilt die Gleichung (8) auch dann, wenn das Druckverhältnis im Falle des Rückstroms 1 überschreitet.
Es wird angemerkt, daß der Beobachter 302 den Konstruktionsparameter α₀ umfaßt.
Der Konstruktionsparameter α₀ in (8) kann dazu verwendet werden, um unterschiedliches dynamisches Verhalten des Beobachters zu bewirken. Anzumerken ist, daß ein großer α₀ die Reaktion beschleunigen kann, aber auch die Empfindlichkeit der Schätzung gegenüber Meßstörungen in P_i und W_thr,m erhöht. Wenn der Beobachter mit einem durch einen Zeitbereichs-Tiefpaßfilter zweiter Ordnung gefiltertes MAF-Signal verwendet wird, kann die Bandbreite dieses Filters eine signifikante Auswirkung auf das Verhalten der EGR-Stromschätzung haben. Wenn der MAF-Filter langsam ist, dann kann die Schätzung des EGR-Stroms anfänglich in der falschen Richtung starten. Ist α₀ im Vergleich zu ω_n zu klein, kann die Schätzung des EGR-Stroms ein Überschießen zeigen. Siehe die 4 und 5. Die Analyse der Reaktionen zeigt, daß ein schneller Filter für das MAF-Signal wesent lich ist und α₀ so eingestellt werden sollte, daß die dynamische Reaktion der EGR-Stromschätzung derjenigen ähnlich ist, die durch die Öffnungsstromgleichung geliefert wird.
Bei der Implementierung des EGR-Beobachters (8) im geschlossenen Regelkreis und bei der Prüfung seiner Leistung und Robustheit können die folgenden Fragen möglicherweise die Systemleistung beeinflussen:
Signalverarbeitung und -filterung. Die Rohdaten aus dem MAF-Sensor, für die das Sampling in einem festen Zeitabstand erfolgt, schwanken wegen des durch Motoratmungsvorgänge verursachten Pulsierens sehr stark. Der Umfang des Pulsierens ist bei den hohen Ansaugkrümmerdrücken groß, während die Frequenz eine Funktion der Motordrehzahl ist. Ein ereignisbasierter Filter wird implementiert, um die Parameterumschaltung der Zeitkonstante des Zeitbereichsfilters zu vermeiden. Während ein langsamer Filter dabei helfen kann, das MAF-Signal zu glätten, verbessert ein schneller Filter die transiente Leistung des EGR-Beobachters und der anderen Ladesteuerfunktionen, die sich auf die MAF-Messungen stützen.
Zylinderstromschätzung. Der Beobachter im geschlossenen Regelkreis nimmt an, daß genaue Zylinderstromschätzungen verfügbar sind. In der Realität können jedoch Rußablagerungen im Ansaugsystem auch im Zeitablauf den volumentrischen Wirkungsgrad verändern. Dies begründet die nachstehend bezüglich der Anpassung des Zylinderstromschätzers erörterten Arbeiten.
6 zeigt die Dynamometer-Validierungsdaten für den EGR-Beobachter im geschlossenen Regelkreis (8). Sowohl die Reaktion im offenen Regelkreis wie auch im geschlossenen Regelkreis werden aufgezeichnet. Es gibt zwei getrennte Merkmale, die die Qualität der Weg-Schätzung charakterisieren: Im konstanten Betrieb sollte W_egr gleich der Differenz zwischen W_cyl und W_thr entsprechend der Massenbilanz sein. Während des Transienten sollte die dynamische Reaktion von W_egr auf einen schrittweisen Input für die EGR-Ventilstellung derjenigen ähneln, die von der Öffnungsgleichung vorhergesagt wird. Es kann aus 6 entnommen werden, daß, während die Schätzung im offenen Regelkreis einen großen Fehler bei der Vorhersage des EGR-Stroms im konstanten Betrieb aufweist, der Beobachter im geschlossenen Regelkreis die vorstehend beschriebenen Eigenschaften sowohl im konstanten Betrieb wie auch während des Transienten hat.
LADUNGSSTEUERUNG IM GESCHLOSSENEN REGELKREIS
Unter Bezugnahme auf 7 werden nun, nachdem der Konstruktionsparameter α₀ für den Beobachter 302 (3) ermittelt wurde, ein System und ein Verfahren im geschlossenen Regelkreis gezeigt, die verfügbare Messungen (MAF und MAP) und Schätzungen nutzen, um die Ladungsbereitstellungsqualität trotz des Vorhandenseins von Rußablagerungen und sonstiger störenden Faktoren zu verbessern.
Wie oben erörtert, sind die Ziele der Ladungssteuerung die Lieferung des gewünschten Stroms W_cyl,d und des Anteils an verbrannten Gasen F_in,d in die Zylinder. So wird im Schritt 700 hinsichtlich des Ansaugkrümmerdrucks P_i, des Drosselklappenstroms W_thr,m, des Auspuffkrümmerdrucks P_exh, des Umgebungsdrucks P_amb, der Umgebungstemperatur T_amb, der Abgastemperatur T_exh, der Motordrehzahl N, der Drallsteuerventilstellung α, der Ansaugkrümmertemperatur T_i und des stöchiometrischen Abgasverhältnisses r_exh, eine Feststellung entweder durch Messungen oder Schätzungen getroffen. Die Gaspedalstellung PP wird ebenfalls erfaßt, Schritt 702.
Nach Erhalt dieser Parameter werden die Zielpunkte entsprechend der gewünschten Zylinderluftladung W_cyl,d, des gewünschten Ansaugkrümmerdrucks P_i,d und des gewünschten EGR-Stroms W_egr,d festgelegt, Schritt 304. Da die aktuellen Werte für diese drei Variablen entweder gemessen oder geschätzt werden, kann die Steuerung im geschlossenen Regelkreis so entwickelt werden, daß sie die Schleife um MAF, MAP und W ^ _egr schließt, um Ermittlungsfehler zu mindern und damit die Leistung zu verbessern.
Es wird auch angemerkt, daß die folgenden Funktionen ebenfalls im Schritt 706 berechnet werden:
Es gibt zahlreiche unterschiedliche Vorgehensweisen, die bei dieser Anwendung für die Konstruktion der Steuerung im geschlossenen Regelkreis angenommen werden können. Beispielweise kann eine dezentrale Steuerarchitektur verwendet werden, es kann die Schleife auf MAF für die Drosselklappensteuerung zur Lieferung von W_thr,d geschlossen werden, und es kann die Schleife auf MAP geschlossen werden, um P_i,d oder W_egr,d zu liefern. Eine an sich bekannte proportionalintegrale (PID) derivative Steuerung kann verwendet werden, um den Fehler im konstanten Betrieb zu eliminieren und das transiente Verhalten zu formen. Hier verwendet das abgeleitete Steuergesetz die Drehzahl-Gradient-Methode, die eine nicht lineare Variante eines proportionalen-integralen (PI) Steuergeräts liefert.
Es sei die objektive Funktion betrachtet:
welche die Abweichung von P_i, W ^ _egr, W_thr,m gegenüber ihren Zielpunkten mißt, wobei W_thr,m der gemessene Luftstrom durch die Drosselklappe ist. Durch Verwendung der Drehzahl-Gradient-Methode nimmt das Steuergesetz, das dynamisch die objektive Funktion (9) minimiert, die folgende allgemeine Form an: u = ud – Γ1∇uQ – Γ2z, ż = ∇uQ (10) wobei u_d die nominale Steuerung aufgrund von Annahmen, Γ₁ T₂ die Verstärkungsmatrize ist, Q die zeitbezogene Veränderungsrate von Q längs der Bahnen des Systems sind. Anzumerken ist, daß Q = γ1(Pi – Pi,d)Ṗi + γ2(W ^ egr – Wegr,d)W ^ egr + γ3(Wthr,m – Wthr,d)W thr,m in der Annahme, daß sich die Zielpunkt im Vergleich zu der Ansaugkrümmer- und Sensordynamik in der Zeit langsam ändern. Damit Q = γ1(Pi – Pi,d)Ṗi + γ2(W ^ egr – Wegr,d)(α0Ṗi – ) + γ3(Wthr,m – Wthr,d)W thr,m (11)worin W ^ _egr = β₀P_i – ε verwendet wird, um W ^ in (11) zu eliminieren. Unter Verwendung der Ansaugkrümmer- und Sensordynamik-Gleichungen und der EGR-Strom-Beobachter-Gleichung Ṗi = cm(Wthr + Wegr – Wcyl) (12) Wthr,m = –λMWthr,m + λMWthr (13)und der EGR-Strom-Beobachter-Gleichung (8), wobei c_m = RT_i/V_i in (8) definiert wird, 1/λ_M ist die Sensorzeitkonstante, kann die zeitbezogene Veränderungsrate von Q evaluiert werden als: Q = γ1(Pi – Pi,d)cm(Wthr + Wegr – Wcyl) + γ2(W ^ egr – Wegr,d)α0cm(Wegr + Wcyl,est – Wcyl) + γ3)Wthr,m – Wthr,d)(–λMWthr,m + λMWthr) (14)
Jetzt werden u_thr und U_egr als effektive Stromflächen für das Drosselklappen- und das EGR-Ventil behandelt und als Steuervariablen behandelt. Anzumerken ist, daß W_thr und W_egr mit den Steuermaßnahmen u_thr, U_egr direkt verbunden sind.
Durch die Wahl diagonaler Matrizen für Γ₁, Γ₂ nimmt die endgültig kombinierte Ladungskontrolle aufgrund von tatsächlichen Werten und angenommenen Werten folgende Form an:
worin Γ₁₁, Γ₁₂, Γ₂₁, Γ₂₂ positive Konstanten sind und der auf Annahmen beruhende Teil u_thr,d, u_egr,d durch (5) und (6) gegeben wird.
Die resultierenden Steuerungen aufgrund tatsächlicher Werten (17) und (18) haben eine besondere Form der nicht linearen PI(proportionalen und integralen)-Steuerung, wobei die auf tatsächlichen Werten beruhenden Gewinne automatisch aufgrund der nicht linearen Charakteristika des Werks und der Aktuatoren skaliert werden.
Damit wird aufgrund des Vorstehenden und unter erneuter Bezugnahme auf 7 ein Generator für das Drosselklappensignal u_thr 708 und ein Generator für das EGR-Ventil-Signal u_egr 710, gezeigt, welche die oben beschriebenen Gleichungen umsetzen. Insbesondere wird unter Betrachtung zunächst des Drosselklappensignals u_thr des Generators 708 die Differenz zwischen dem gemessenen Drosselklappenstrom W_thr,m und dem gewünschten Drosselklappenstrom W_thr,d mit γ₃ multipliziert und das Produkt mit λ_m multipliziert, um einen Input zum Summierer 712 zu produzieren. Der andere Input zum Summierer 712 ist das Ergebnis der Bestimmung der Differenz zwischen dem gemessenen Ansaugkrümmerdruck P_i und dem gewünschten Ansaugkrümmerdruck P_i,d und der Multiplikation dieser Differenz mit γ₁ und c_m. Der Ausgang des Summierers 712 wird mit Γ₁₁ multipliziert, und das Produkt wird als ein Input in das Difterenziergerät 714 eingespeist. Der Ausgang des Summierers 712 wird über die Zeit durch den Integrator 716 integriert. Der Ausgang des Integrators 716 wird mit Γ₁₂ multipliziert, und das Produkt wird als ein Input, wie dargestellt, in das Differenziergerät 718 eingegeben. Der gewünschte Drosselklappenstrom W_thr,d, der im Schritt 704 ermittelt wurde, wird in das gewünschte Drosselklappenstellungssignal u_thr,d umgewandelt, indem der genannte gewünschte Drosselklappenstrom W_thr,d durch f₁ dividiert wird, wobei f₁ im Schritt 706 berechnet wurde. Die Differenz zwischen u_thr,de und Γ₁₁{γ₁ c_m(P_i – P_i,d) + γ₃λ_M(W_thr,m – W_thr,d)}f₁, die vom dem Differenziergerät 714 ermittelt wurde, d.h. Γ₁₁{γ₁(P_i – P_i,d) + γ₃λ_M(W_thr,m – W_thr,d)}f₁, wird in das Difterenziergerät 718 eingespeist, um den Drosselklappenbefehl u_thr für die elektronisch gesteuerte Drosselklappe 26 (1) zu liefern.
Bevor der Generator des EGR-Ventil-Steuersignals u_egr 710 (7), beschrieben wird, wird erneut auf 3 Bezug genommen. 3 zeigt eine Schätzfunktion 304 für die Schätzung W_egr, d.h. W ^ _egr. Nach der Bestimmung der Konstruktionsparameter α₀ für eine bestimmte Motorkonstruktion, wie oben in Verbindung mit dem Beobachter 302 beschrieben, ermittelt die Schätzfunktion 304, d.h. schätzt, W ^ _egr. Insbesondere wird der geschätzte Zylinderstrom W ^ _cyl aufgrund von P_i, T_i, σ und N entsprechend der vorstehenden Gleichung (7) berechnet:
Der geschätzte Zylinderstrom W ^ _cyl wird mit dem Faktor ^ _cyl(t) multipliziert, der nachstehend in Verbindung mit der Drosselklappenkörper-Anpassung und der zylinderinternen Anpassung detaillierter beschrieben wird (7A und 8). Es möge hier jedoch genügen, zu sagen, daß ohne die Anpassung des Drosselklappenkörpers ^ _cyl(t) gleich 1,0 ist. Damit wird zusammen mit dem gemessenen Drosselklappenstrom W_thr,_m ohne Anpassung W ^ _cyl in ein Differenziergerät 306 eingespeist, um W ^ _cyl = W_thr,_m = W_egr,ss zu ergeben. Der Ausgang des Differenziergerätes 306 W_egr,ss wird einem Differenziergerät 308 zugeführt. Es ist weiter anzumerken, daß der gemessene Krümmerabsolutdruck P_i mit α₀ multipliziert wird. Das Produkt α₀P_i wird zusammen mit dem Beobachterwert ε in das Differenziergerät 300 eingespeist. Der Beobachterwert ε wird dadurch gebildet, daß der Ausgang des Differenziergerätes 308 mit α₀c_m multipliziert und das Produkt über die Zeit, wie in 3 angegeben, integriert wird. Die Differenz zwischen α₀P_i (d.h. α₀P_i – ε) ist der geschätzte EGR-Strom W ^ _egr. Die Schleife wird geschlossen durch Einspeisen des geschätzten EGR-Stroms W ^ _egr als zweiten Input in das Differenziergerät 308.
Es wird erneut auf 7 Bezug genommen. Der Generator für das EGR-Ventil-Steuersignal W_egr 710 wird so dargestellt, daß er in dem Differenziergerät 720 die Differenz zwischen dem gewünschten EGR-Strom W_egr,d, der in Schritt 704 ermittelt wurde, und dem geschätzten EGR-Strom W ^ _egr, der durch die Schätzfunktion 304 erzeugt wurde (3), ermittelt. Der Generator für das EGR-Ventil-Steuersignal u_egr 710 erzeugt auch in dem Differenziergerät 722 zusätzlich die Differenz zwischen dem gewünschten Druck P_i,d und dem gemessenen Druck P;. Der Ausgang des Differenziergeräts 720 wird mit α₀c_mγ₂ multipliziert, und das betreffende Produkt wird im Summierer 724 dem Produkt von γ₁, cm und P_i – P_i,d (das vom Differenziergerät 722 ermittelt wurde) hinzuaddiert, wobei f₂ im Schritt 706 berechnet wurde. Damit lautet der Ausgang des Summierers 724: {γ₁c_m(P_i – P_i,d) + γ₂α₀c_m(W ^ _egr – W_egr,d)} Der Ausgang des Summierers 704 wird mit f₂ multipliziert und anschließend mit Γ₂₁ multipliziert, und das Produkt wird als eine Eingabe dem Differenziergerät 726 zugeführt, und wird über die Zeit durch den Integrator 728 integriert. Der Ausgang des Integrators 728 wird mit Γ₂₂ multipliziert, und das Produkt wird als eine Eingabe dem Differenziergerät 730 wie gezeigt zugeführt. Der im Schritt 704 ermittelte gewünschte EGR-Strom W_egr,d wird in ein gewünschtes EGR-Ventilstellungssignal u_egr,d umgewandelt, indem der genannte gewünschte EGR-Strom W_egr,d durch f₂ dividiert wurde, wobei f₂ im Schritt 706 berechnet wurde. Die Differenz zwischen u_egr,d und Γ₂₁{γ₂c_m(P_i – p_l;d)+ γ₂α₀c_m(W_egr – W_egr,d)}.
die vom Differenziergerät 724 ermittelt wurde, d.h. u_egr,d – [Γ₂₁{γ₁ c_m(P_i – P_i,d) + γ₂α₀c_m( W_egr – W_egr,d)}] wird in das Differenziergerät 730 eingespeist, um die EGR-Ventilsteuerung (command?) u_egr für das EGR-Ventil 34 (1) zu ermitteln (produce??).
Ein zweckmäßiges Merkmal des Drehzahl-Gradient-Steuergerätes liegt darin, daß es ein einleuchtendes Abstimmungsverfahren liefert. Durch Anpassen der relativen Gewichtungen γ₁, γ₂, γ₃ in der objektiven Funktion (9) ist es möglich, effektiv das Verhalten der Reaktion im geschlossenen Regelkreis zu formen, um die gewünschten Reaktionseigenschaften zu erzielen. In dem Maße beispielsweise, wie sich der Ansaugkrümmerdruck dem Umgebungszustand annähert, wird ein Erzwingen, daß P_i durch Verwendung des Drosselklappen- oder des EGR-Ventils P_i,d verfolgt, zu einer Sättigung des Aktuators führen, da die Aktuatoren über die Druckverfolgungsleistung bei hohen Ansaugkrümmerdrücken nur schwach kontrollierbar sind. Bei der in das Steuergerät eingebauten Flexibilität ist es möglich, den Wert γ₁ unter diesen Bedingungen anzupassen, um ein unerwünschtes Integrator-Hochfahren zu vermeiden.
Mehrere adaptive Algorithmen werden nachstehend für die Schätzung des Stroms im Zylinder und des Drosselklappenstroms beschrieben.
ADAPTIEREN DES DROSSELKLAPPENKÖRPER-MODELLS
In Anbetracht der Tatsache, daß die angenommenen Änderungen bei den Drosselklappenstrom-Charakteristika in den Neigungs- und Leckage-Terms im Drosselklappenwinkel zur Funktion der effektiven Stromfläche liegen, werden die Unsicherheitendem Strom durch den Drosselklappenkörper mit einem Versatz
(Nennwert
= 0) und einem Multiplikator oder einem Maßstab
(Nominalwert
= 1) parametrisiert:
worin
der nominale Drosselklappenzylinderstrom ist, der durch die Öffnungsgleichung (1) auf der Grundlage einer nominalen Kalibrierung vorhergesagt wurde.
Es sei
der geschätzte Wert für
jeweils zum Zeitpunkt t. Ein gradientartiger Adaptionsalgorithmus wird wie folgt definiert:
worin
Anpassungsgewinne sind.
Entsprechend wird unter Bezugnahme auf 7A ein Generator für das Drosselklappensteuersignal u_thr 708' mit Adaptierung gezeigt. Dieser Generator für das Drosselklappensteuersignal u_thr 708' würde an die Stelle des Generators für das Drosselklappensteuersignals u_thr 708 ohne Adaptierung gesetzt werden, die in 7 gezeigt und oben beschrieben wurde. Somit wird die Differenz zwischen dem gemessenen Drosselklappenstrom W_thr,m und dem gewünschten Drosselklappenstrom W_thr,d mit γ₃ multipliziert, und das Produkt wird mit λ_m multipliziert, um eine Eingabe zum Summierer 712 zu produzieren. Die andere Eingabe zum Summierer 712 ist das Ergebnis der Bestimmung der Differenz zwischen dem gemessenen Ansaugkrümmerdruck P; und dem gewünschten Ansaugkrümmerdruck P_i,d und der Multiplikation dieser Differenz mit γ₁ c_m. Der Ausgang des Summierers 712 wird mit Γ₁₁ multipliziert, und das Produkt als eine Eingabe dem Differenziergerät 714 zugeführt und durch den Integrator über die Zeit integriert. Der Ausgang des Integrators 716 wird mit Γ₁₂ multipliziert, und das Produkt wird als ein Eingang dem Differenziergerät 718 wie gezeigt zugeführt.
Der Generator für das Drosselklappensteuersignal u_thr 708' mit Adaptierung u_thr,d wird aufgebaut durch die Bildung von
und
ausgehend von geschätzten Werten
und
von
bzw.
aufgrund eines Drosselklappenkörperadapters 900, der in Verbindung mit 9 detaillierter zu beschreiben sein wird. Es möge hier jedoch genügen zu sagen, daß der gewünschte Drosselklappenstrom W_thr,d mit
multipliziert wird, das Produkt von
subtrahiert wird, um wie dargestellt das gewünschte Drosselklappenstellungssignal u_thr,d zu ermitteln. Dieses gewünschte Drosselklappenstellungssignal u_thr,d wird dem Differenziergerät 714 zusammen mit Γ₁₁{γ₁ c_m(P_i – P_i,d) + γ₃λ_M(W_thr,m – W_thr,d)}f₁ zugeführt, um u_thr,d – [Γ₁₁{γ₁ c_m(P_i – P_i,d) + γ₃λ_M(W_thr,m – W_thr,d)}f₁ zu ergeben, was dem Differenziergerät 718 zugeführt wird, um die Drosselklappensteuerung u_thr für das elektronisch gesteuerte Drosselklappenventil 26 (1) zu liefern.
Nun wird auf 9 Bezug genommen. Der Drosselklappenkörperadapter 900 wird so dargestellt, daß er als Reaktion auf den gemessenen Drosselklappenstrom W_thr,m und das Drosselklappensteuersignal u_thr, das von dem Differenziergerät 718, 7A, abgegeben wird, die geschätzten Werte
und
von
bzw.
abgibt. Dementsprechend wird nach der Beschreibung der vorstehenden Gleichungen der Fehler ε_thr wie folgt bestimmt:
worin
Anpassungsgewinne sind.
Die tatsächliche Umsetzung des Adaptierungsgesetzes ist komplexer und erfordert, daß verschiedene praktische Fragen behandelt werden. Insbesondere:

1. Die Adaptierung wird deaktiviert, wenn der Ansaugkrümmerdruck hoch ist und die Drosselklappe einen schnellen Transienten durchläuft. Unter diesen Bedingungen sagt die Öffnungsgleichung den Drosselklappenstrom nicht sehr gut voraus, und der MAF-Sensorauslesewert kann (insbesondere wenn er gefiltert ist) hinter dem tatsächlichen Signal hinterherhinken. Demzufolge wird unter Bezugnahme auf 7B die Adaptierung deaktiviert, wenn P_i > P_i,threshold ist, und, unter Bezugnahme auf 9,
gelten. Es wird angemerkt, daß unter diesen Bedingungen die 7 und 7A die gleichen sind.
2. Ein Totbereich 902 in 9 wird auf den Vorhersagefehler ε_thr angewandt, bevor er in der Adaptierung genutzt wird. Dies vermeidet Parameterdriften, das durch unmodulierte Dynamiken verursacht wird, und verstärkt die Robustheit des adaptiven System, und
3. Die Anpassungsgewinnewinne
werden signalabhängig gemacht. Beide Gewinne werden bei hohem Krümmerdruck reduziert. Der Gewinn
für die Offset-Anpassung wird bei Zuständen hoher Ströme, wie in Block 904 in 9 gezeigt, reduziert, während der Gewinn
für die Maßstabsadaptierung bei Zuständen geringer Ströme, wie durch Block 906 in 9 gezeigt, reduziert wird.
4. Sowohl der Offset
als auch der Maßstab
werden begrenzt, um innerhalb eines vorbestimmten Bereiches zu schwanken, wie dies in den Blöcken 908 bzw. 910 in 9 gezeigt wird, und ein Fehlerregler-Projektionsschema wird implementiert, um diese Grenzen durchzusetzen. Der Fehlerregler reduziert die Anpassungsgewinne, wenn dies notwendig ist, um sicherzustellen, daß die Parameterschätzungen innerhalb des vorbestimmten Bereiches zu liegen kommen.

Zum Nachweis der Wirkung der Drosselklappenadaptierung werden Drosselklappenschritte bei geschlossenem EGR-Ventil angewandt, bevor bzw. nachdem die Adaptierung abgeschlossen ist. Die gemessenen und geschätzten Ansaugkrümmerdruckreaktionen werden verglichen, wobei der geschätzte Ansaugkrümmerdruck generiert wird durch ein isothermes Modell P ^ = K_iT_i(W ^ _thr – W ^ _cyl). Wenn der Drosselklappenstrom genau geschätzt wird, sollte der geschätzte Druck nahe bei dem gemessenen Druck liegen. 10 vergleicht die Reaktionen vor und nach der Adaptierung und bestätigt, daß die Genauigkeit nach Abschluß der Adaptierung stark verbessert ist. Insbesondere zeigt 10 Zeitabläufe von geschätzten und gemessenen Ansaugkrümmerdruckreaktionen vor und nach der Adaptierung nach der Erfindung.
ADAPTIERUNG DES STROMS IM ZYLINDER
Die Adaptierung für den Strom im Zylinder wird dafür verwendet, Schwankungen im Ansaugsystem zu kompensieren, die möglicherweise auf Rußablagerungen, sonstigen Alterungsvorgängen und Schwankungen von Komponente zu Komponente beruhen können. Diese Adaptierung ist von wesentlicher Bedeutung, da (i) Ansaugsystem-Rußablagerungen bei einem DISI-Motor aufgrund des hohen EGR-Volumens und des Schichtladebetriebs unvermeidlich sind, und (ii) sonstige Schlüssel-EMS-Funktionen, wie z.B. Kraftstoffsteuerung und EGR-Beobachter im geschlossenen Regelkreis, von genauen Schätzungen des Stroms im Zylinder abhängen, um die gewünschte Leistung zu erhalten.
Da Rußablagerungen, die das Ladestromdurchtreten blockieren und demzufolge die volumetrische Effizienz mindern, zu großer Sorge Anlaß geben, wird ein Multiplikator in die Zylinderstromgleichung (3) eingeführt, und ihr Wert wird online aktualisiert. Ein gradientenartiger Algorithmus ähnlich zu dem für die Drosselklappenadaptierung verwendeten wird für den Ladestrom im Zylinder verwendet:
worin
die Nennschätzung des Zylinderstroms ist, wobei angenommen wird, daß ^ _cy _l = 1, ε⁰ und
die Fehler- bzw. Regressorsignale für die Adaptierung sind. Demzufolge gibt es unter Bezugnahme auf 9 und abhängig von der EGR-Ventilstellung zwei verschiedene Adaptierungsschemata: Wenn das EGR-Ventil geschlossen ist (W_egr = 0) (im oberen Teil der 9 gezeigt) wird
gewählt, und das Signal ε⁰ wird so definiert, daß es die Differenz zwischen dem gemessenen und dem berechneten Ansaugkrümmerdruck darstellt:
ε0 = P ^ c – Pi worin γ_p der Beobachtergewinn ist. In diesem Fall beruht der Schätzungsfehler beim Ansaugkrümmerdruck im wesentlichen auf dem Fehler bei der Zylinderstromschätzung (in der Annahme, daß der Strom durch die Drosselklappe genau gemessen wird und das EGR-Ventil geschlossen ist). Das Vorzeichen und der Umfang des Druckfehlers P ^ _c – P_i gibt den Fehler in ^ _cyl wieder und wird demzufolge dazu verwendet, die Adaptierung für ^ _cyl zu treiben.
Wenn das EGR-Ventil geöffnet ist, was im unteren Teil von 8 gezeigt wird, dann gibt es möglicherweise mehrfache Fehlerquellen in dem Ansaugkrümmermodell, einschließlich ungenauer Schätzungen des EGR-Stroms. In diesem Fall werden:
genutzt, und ansonsten ε0 = 0wie durch den Schalter 802 und die Logik in 8 gezeigt, wobei δ₀ ≥ 0 ein Schwellenwert ist. Die Logik hinter dem Algorithmus ist die folgende: Wenn
größer ist als 0 oder ein positiver Schwellenwert, bedeutet dies, daß mehr Luft durch den Drosselklappenkörper strömt als in die Zylinder, und dies ist beim konstanten Betrieb unmöglich, da das EGR-Ventil offen ist.
Demzufolge unterschätzt die Drehzahldichtegleichung den Strom, und demzufolge wird der Faktor ^ _cyl nach oben angepaßt. Obwohl dies hier nicht getan wird, ist es möglich, noch allgemeinere Situationen zu bearbeiten, wenn obere und untere Grenzen des EGR-Stroms für jeden Zeitpunkt bekannt sind, beispielsweise aufgrund eines Modells im offenen Regelkreis und aufgrund von Grenzen bei Parameterfehlern in diesem Modell. In diesem Fall kann ein Satz machbarer Werte von ^ _cyl, die konsistent (d.h. nicht verfälscht) sind, mit den Grenzen des EGR-Stroms erhalten werden. Die Schnittpunkte dieser Sätze von machbaren Werten werden als Informationssätze bezeichnet, und ihre Schnittpunkte über verschiedene Zeitpunkte können dann dazu verwendet werden, den Satz an machbaren Auswahlen für ^ _cyl einzuschränken, wie dies erörtert wird in „Adaptive Identifcation Schemes in Presence of Bounded Distrubances: An Automotive Case Study" von I. Kolmanovsky und I. Siverguina, {Proceedings of 2001 IEEE Conference on Decision and Control}, Orlando, Florida, Dezember 2001.
Analog zur Adaptierung der Drosselklappenkörperfunktion muß auch die Adaptierung des Zylinderstroms aufgearbeitet werden, um Leistung und Robustheit sicherzustellen. Insbesondere werden die folgenden Regeln auf die Zylinderstromadaptierung angewandt:
Die Adaptierung wird deaktiviert, d.h. ^ _cyl(t + T)= ^ _cyl(t) in 3, unter einer der folgenden Bedingungen:

1. während Transienten,
2. bei sehr hohem Ansaugkrümmerdruck,
3. wenn die Größe des Fehlersignals ε⁰ sehr gering ist.

Ein Fehlerregler ähnlich zu dem für die Drosselklappenadaptierung verwendeten wird angewandt, um eine Projektionsfunktion zu liefern, welche verhindert, daß die Schätzung ^ _cyl einen vorbestimmten Bereich verläßt.
Die 11 bis 12 zeigen die Auswirkungen der Zylinderstromadaptierung während Drosselklappenschritten, wenn das EGR-Ventil geschlossen ist. Insbesondere ist 11 ein Zeitablauf, der den gemessenen Drosselklappenstrom (durchgezogene Linie) und den geschätzten Zylinderluftstrom (gestrichelte Linie) als Reaktion auf Drosselklappenschritte zeigt. Die Adaptierung wird zum Zeitpunkt t = 0 eingeschaltet. Da das EGR-Ventil geschlossen ist, muß im konstanten Betrieb die Schätzung des Zylinderstroms der Messung des Drosselklappenstroms entsprechen. 12 ist ein zeitlicher Ablauf, der den gemessenen Drosselklappenstrom (durchgezogene Linie) und den geschätzten Zylinderluftstrom (gestrichelte Linie) als Reaktion auf Drosselklappenschritte zeigt, wenn die Adaptierung ausgeschaltet ist. Da das EGR-Ventil geschlossen ist, muß beim konstanten Betrieb die Schätzung des Zylinderstroms der Messung des Drosselklappenstroms entsprechen; jedoch ist dies nicht der Fall, da, wie oben ausgeführt, die Adaptierung ausgeschaltet ist. 13 ist ein zeitlicher Verlauf mit der Darstellung des Verhaltens von ^ _cyl in dem Maße wie die Adaptierung voranschreitet.
Eine Anzahl von Ausführungsformen der Erfindung wurde beschrieben. Es dürfte jedoch klar sein, daß verschiedene Änderungen angebracht werden können, ohne Geist und Umfang der Erfindung zu verlassen. Dementsprechend fallen weitere Ausführungsbeispiele in den Rahmen der nachfolgenden Patentansprüche.

Claims

Ein Verfahren für das Steuern der Zylinderladung in einem fremdgezündeten Motor mit Direkteinspritzung, wobei der Motor einen Ansaugkrümmer und ein elektronisch gesteuertes Drosselklappen(ETC)-Ventil aufweist, das den Luftstrom von der Atmosphäre zum Ansaugkrümmer des genannten Motors regelt, welches Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß es umfaßt: (A) Messen eines Ansaugkrümmerdruckwertes P_i, (B) Messen eines Stromwertes W_thr,m, der für den Strom durch die ETC-Drosselklappe charakteristisch ist, (C) Bestimmen eines gewünschten Ansaugkrümmerdruckwertes P_i.d, (D) Bestimmen eines gewünschten Stroms W_thr.d durch das ETC-Ventil, (E) Bestimmen einer gewünschten ETC-Ventilstellung u_thr,d, und (F) Anpassen der genannten ETC-Ventilstellung u_thr aufgrund folgender Gegebenheiten: (i) der genannten gewünschten ETC-Ventilstellung u_thr,d, (ii) einer Differenz zwischen dem gemessenen Ansaugkrümmerdruckwert P; und dem bestimmten gewünschten Ansaugkrümmerdruckwert P_i.d, und (iii) einer Differenz zwischen dem gemessenen Stromwert W_thr,m durch das ETC-Ventil und dem bestimmten gewünschten Strom W_thr.d.
Verfahren für das Steuern der Zylinderladung in einem fremdgezündeten Motor mit Direkteinspritzung, wobei der genannte Motor einen Ansaugkrümmer und ein elektronisch gesteuertes Drosselklappen(ETC)-Ventil aufweist, das den Luftstrom von der Atmosphäre zum Ansaugkrümmer des genannten Motors regelt, welches Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß es umfaßt: Parametrisieren des Luftstroms durch das ETC-Ventil als:
worin
und
Schätzparameter sind,
ein nominaler vorhergesagter Strom durch das ETC-Ventil, wobei der genannte vorhergesagte Strom eine Funk tion der gemessenen ETC-Ventilstellung und des gemessenen Ansaugkrümmerdrucks ist; Bestimmen von Differenzen zwischen dem gemessenen Strom durch das ETC-Ventil und dem vorhergesagten Strom durch das ETC-Ventil Modifizierung der Schätzparameter entsprechend den ermittelten Differenzen, und Lieferung eines gewünschten Luftstroms durch das ETC-Ventil durch Einstellen der ETC-Ventilstellung u_thr entsprechend dem parametrisierten Luftstrom, wobei der genannte parametrisierte Luftstrom eine Funktion der Schätzparameter ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der vorhergesagte nominale Strom aus der Standard-Öffnungsstromgleichung abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schätzparameter modifiziert werden entsprechend:
worin

Anpassungsgewinne sind, t + T_a eine Zeit ist, zu der die genannten Adaptionsparameter aktualisiert werden, und W_thr,m der gemessene Strom durch das ETC-Ventil ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnete, daß der vorhergesagte nominale Strom aus der Standard-Öffnungsstromgleichung abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorhersage deaktiviert wird, wenn der Ansaugkrümmerdruck relativ hoch ist und das ETC-Ventil einen relativ bedeutenden transienten Zustand durchläuft.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Totbereich auf ε_thr angewandt wird, bevor er genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpassungsgewinne bei hohen Ansaugkrümmerdrücken reduziert werden.
Verfahren für das Steuern der Luftladung in einem fremdgezündeten Motor mit Direkteinspritzung, wobei der genannte Motor ein mit dem Auspuffkrümmer und dem Ansaugkrümmer des Motors verbundenes Abgasrückführungs(EGR)-Ventil und ein elektronisch gesteuertes Drosselklappen(ETC)-Ventil aufweist, das den Luftstrom von der Atmosphäre zum Ansaugkrümmer des genannten Motors regelt, welches Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß es umfaßt: (A) Lieferung einer Schätzfunktion für die Schätzung des Stroms durch das EGR-Ventil, (B) während eines Kalibrierungsmodus: (i) das Anlegen einer Schrittfunktion an die Schätzfunktion, wobei die genannte Schätzfunktion eine dynamische Reaktion aufweist, die für die angewandte Schrittfunktion charakteristisch ist, wobei die genannte dynamische Reaktionscharakteristik eine Funktion eines Parameters in der genannten Schätzfunktion ist, (ii) Vergleichen der dynamischen Reaktionscharakteristik der Schätzfunktion auf die Schrittfunktion mit der dynamischen Reaktionscharakteristik, die entsprechend der Öffnungsgleichung geliefert wird, die auf das Ansaugdrosselklappen- und das EGR-Ventil Anwendung findet, und (iii) Anpassen des Parameters der Schätzfunktion auf einen Wert, bei dem die dynamische Reaktionscharakteristik, die von der Schätzfunktion geliefert wird, im wesentlichen zu einer vorbestimmten dynamischen Reaktion paßt; und (C) während eines anschließenden normalen Betriebsmodus (i) Entfernen der Schrittfunktion, und (ii) Verwendung der Schätzfunktion mit dem abgegebenen gewünschten Wert für die Schätzung des Stroms durch das EGR-Ventil.
Verfahren für das Steuern der Luftladung in einem fremdgezündeten Motor mit Direkteinspritzung, wobei der genannte Motor ein mit dem Auspuffkrümmer und dem Ansaugkrümmer des Motors verbundenes Abgasrückführungs(EGR)-Ventil und ein elektronisch gesteuertes Drosselklappen(ETC)-Ventil aufweist, das den Luftstrom von der Atmosphäre zum Ansaugkrümmer des genannten Motors regelt, welches Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß es umfaßt: (A) Messen eines Ansaugkrümmerdruckwertes, welcher den gemessenen Ansaugkrümmerdruck anzeigt, (B) Schätzen des Stroms in den Zylinder als Funktion des gemessenen Ansaugkrümmerdrucks, (C) Modifizieren des geschätzten Stroms in den Zylinder mit einem zeitvariablen Faktor, und (D) Bestimmen bei geöffnetem EGR-Ventil des zeitvariablen Faktors als Funktion der Differenz zwischen dem gemessenen Strom durch das ETC-Ventil und dem modifizierten geschätzten Strom in den Zylinder mit einem vorbestimmten Faktor.