DE60211569T2

DE60211569T2 - Verfahren zur Bestimmung des Frischgases in einem Saugrohr eines Verbrennungsmotors mit Abgasrückführung

Info

Publication number: DE60211569T2
Application number: DE60211569T
Authority: DE
Inventors: Gilberto Burgio; Alessandro Palazzi; Renzo Ruggiano; Mauro Suffritti
Original assignee: Magneti Marelli Powertrain SpA
Current assignee: Marelli Europe SpA
Priority date: 2001-01-12
Filing date: 2002-01-11
Publication date: 2007-04-26
Anticipated expiration: 2022-01-12
Also published as: EP1223328B1; ITBO20010010A0; US6718942B2; US20020152016A1; EP1223328A1; ES2262711T3; DE60211569D1; ITBO20010010A1; BR0200095A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schätzverfahren für die Frischluftmenge, die in dem Ansaug- und dem Absaugrohr einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Rückführungskreis (der auch als "EGR-Kreis" bekannt ist) vorhanden ist.
Bekanntlich muss das Steuerungssystem einer Verbrennungskraftmaschine in jeden Zylinder und bei jedem Takt eine Kraftstoffmenge (d.h. Benzin oder Diesel) und ein Verbrennungsmittel (d.h. Frischluft mit annähernd 20% Sauerstoff darin) einlassen, welche derart bestimmt werden, dass die Verbrennung unter optimalen Bedingungen stattfinden kann, um die Leistung zu maximieren und die Erzeugung von Schadstoffen zu vermindern.
Bei Verbrennungskraftmaschinen hängt die Frischluftmenge, die in jeden Zylinder eingelassen wird, nur von der Stellung des Drosselklappenventils ab, wohingegen bei Verbrennungskraftmaschinen mit einem Rückführungskreis ein Teil der in dem Absaugrohr vorhandenen Gase rückgeführt und in das Ansaugrohr eingelassen wird und mithin die in jeden Zylinder eingelassene Frischluftmenge sowohl von der Stellung des Drosselklappenventils als auch von der Strömungsgeschwindigkeit und der Zusammensetzung der Rückführungsgase abhängt. Insbesondere kann die Strömungsgeschwindigkeit des rückgeführten Gases 30% der Strömungsgeschwindigkeit des Drosselklappenventils erreichen, und der prozentuale Anteil der Frischluft in den Abgasen kann 50% erreichen; und deshalb ist es offenkundig, dass man bis zu 15% der in dem Ansaugrohr vorhandenen Frischluft aus dem Rückführungsrohr erhalten kann.
Damit man das Steuerungssystem einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Rückführungskreis richtig funktionieren lassen kann, muss das Steuerungssystem selbst in Echtzeit mit einem Schätzwert für die in dem Ansaug- und dem Absaugrohr vorhandenen Frischluftmenge versehen werden, damit mit dem Steuerungssystem somit sowohl das Drosselklappenventil als auch das Rückführungsventil betätigt werden können, um in jeden Zylinder die optimale Frischluftmenge gemäß der bereitgestellten Kraftstoffmenge einzulassen.
Bekanntlich wird ein Schätzwert für die in dem Ansaug- und dem Absaugrohr vorhandene Frischluftmenge mit Hilfe zweier linearer Sauerstoffsensoren ermittelt, welche jeweils in dem Ansaugrohr und dem Ansaugrohr angeordnet sind; jedoch ist diese Lösung auf Grund der hohen Kosten für die linearer Sauerstoffsensoren verhältnismäßig kostspielig.
Ebenso wurde vorgeschlagen, die in dem Ansaugrohr vorhandene Frischluftmenge mit Hilfe des in dem Ansaugrohr angeordneten Lambda-Sensors zu schätzen; jedoch weist dieses Signal des in dem Ansaugrohr angeordneten Lambda-Sensors Verzögerungen auf, die sehr lang (typischerweise annähernd 200 ms lang) in Bezug auf die Dauer eines (zwischen 10 und 100 ms veränderlichen) Taktes des Motors sind, und ermöglicht mithin nicht, dass das Steuerungssystem (insbesondere als Reaktion auf die plötzlichen Veränderungen) verhältnismäßig gute dynamische Steuerungsleistungsgrade aufweist.
In dem folgenden Artikel ist ein Schätzverfahren für die Frischluftmenge, die in dem Ansaug- und dem Absaugrohr einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Rückführungskreis vorhanden ist, durch ein an dem System angewandtes Beobachtungsgerät offenbart, welches das von dem Ansaug- und dem Absaugohr gebildete physikalische System modelliert. "EGO Sensor Based Robust Output Control of EGR in Diesel Engine" – Alois Amstutz and Luigi R. Del RE–8425 IEEE TRAN-SACTION ON CONTROL SYSTEMS TECHNOLOGY, IEEE INC., NEW YORK, US, Bd. 3, Nr. 1, vom 1. März 1995 (1995-03-01), Seiten 39–48, XP000508609, ISSN:1063–6563.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schätzverfahren für die Frischluftmenge zu schaffen, die in dem Ansaug- und dem Absaugrohr einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Rückführungskreis vorhanden ist, welches frei von den beschriebenen Nachteilen ist, und welches leicht und ökonomisch zu betätigen ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Schätzverfahren für die Frischluftmenge, die in dem Ansaug- und dem Ansaugrohr einer Verbrennungskraftma schine mit einem Rückführungskreis vorhanden ist, gemäß den beigefügten Ansprüchen geschaffen.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung an Hand der beigefügten Zeichnung beschrieben, welche eine nicht einschränkende Ausführungsform derselben darstellt, und in welcher die beigefügte Figur eine schematische Ansicht einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Rückführungskreis ist, welche gemäß dem Verfahren funktioniert, welches Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist.
In 1 bezeichnet 1 als Ganzes eine Verbrennungskraftmaschine mit vier Zylindern 2 (von denen in 1 nur einer dargestellt ist), von denen jeder mit Hilfe eines jeweiligen Einlassventils 4 mit einem Ansaugrohr 3 und mit Hilfe eines jeweiligen Auslassventils 6 mit einem Ansaugrohr 5 verbunden ist. Das Ansaugrohr 3 nimmt Frischluft (d.h. Luft, die aus der äußeren Umgebung erhalten wird und annähernd 20% Sauerstoff enthält) mit Hilfe eines Drosselklappenventils 7 auf, das zwischen einer Schließstellung und einer Stellung der maximalen Öffnung reguliert werden kann. Von dem Ansaugrohr 5 gehen ein Ansaugrohr 8, das in einem Schalldämpfer endet (der bekannt ist und nicht dargestellt ist), um die durch Verbrennung erzeugten Gase in die Atmosphäre abzugeben, und ein Rückführungsrohr 9 aus, welches das Ansaugrohr 5 mit dem Ansaugrohr 3 verbindet und durch ein Rückführungsventil 10 reguliert wird, das zwischen einer Schließstellung und einer Stellung der maximalen Öffnung reguliert werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der Kraftstoff (beispielsweise Benzin, Diesel, Methan, LPG usw.) mit Hilfe eines jeweiligen Einspritzventils 11 einer im wesentlichen bekannten An direkt in jeden Zylinder 2 eingespritzt; gemäß einer anderen, nicht dargestellten Ausführungsform sind das Einspritzventil 11 oder die Einspritzventile 11 in dem Ansaugrohr 3 angeordnet.
Der Motor 1 umfasst des Weiteren eine Steuereinheit 12, welche insbesondere in jedem Takt das Drosselklappenventil 7, das Rückführungsventil 10 und die Einspritzventile 11 steuert, um die Zylinder 2 mit einer Menge einer Mischung von Verbrennungsmittel (Frischluft) und Kraftstoff mit einem Verhältnis zu füllen, welches gemäß den Betriebsbedingungen des Motors 1 bestimmt wird und von den Be fehlen abhängig ist, die von dem Fahrer empfangen werden. Mit der Steuereinheit 12 ist ein Lambda-Sensor 13 verbunden, der physisch in dem Ansaugrohr 8 angeordnet ist und in bekannter Weise die Sauerstoffmenge bestimmen kann, die in den in dem Absaugrohr 8 selbst enthaltenen Gasen vorhanden ist.
Die Steuereinheit 12 ist mit einer Schätzvorrichtung 14 versehen, welche die Steuereinheit 12 selbst mit einem Augenblick-für-Augenblick-Schätzwert der Masse m_aira der in dem Ansaugrohr 3 vorhandenen Frischluft und einem Schätzwert der Masse m_airs der in dem Ansaugohr 5 vorhandenen Frischluft versorgen kann; insbesondere kann die Schätzvorrichtung 14 die Steuereinheit 12 Augenblick für Augenblick mit einem Schätzwert der prozentualen Menge %_aira der in dem Ansaugrohr 3 vorhandenen Frischluft und der prozentualen Menge %_airs der in dem Absaugohr 5 vorhandenen Frischluft im Vergleich zu den entsprechenden Gesamtgasmassen m_colla und m_colls versorgen, die jeweils in dem Ansaugrohr 3 und in dem Absaugohr 5 vorhanden sind. Mit anderen Worten: %aira = 100 × (maira/mcolla) %airs = 100 × (mairs/mcolla)
Um Augenblick für Augenblick die Masse m_aira der in den Ansaugrohr 3 vorhandenen Frischluft und die Masse m_airs der in den Ansaugohr 5 vorhandenen Frischluft zu schätzen, ist das von dem Ansaugrohr 3 und dem Absaugrohr 5 gebildete physikalische System mit den Differentialgleichungen modelliert, welche den Mischvorgang für die Gase in dem Ansaugrohr 3 und dem Ansaugrohr 5 selbst regulieren:
wobei

dm_thr/dt: die Durchflussmenge der von dem Drosselklappenventil 7 zugeführten Luft ist, die gänzlich aus Frischluft besteht, da man sie direkt aus der Atmosphäre erhält;
dm_EGR/dt: die Durchflussmenge des Gases in dem Rückführungsrohr 9 ist, welches einen Frischluftanteil gleich m_airs/m_colls enthält, da man dieses aus dem Absaugrohr 5 erhält;
dm_eng/dt: die Durchflussmenge des in den Zylinder 2 geführten Gases ist, welches einen Frischluftanteil gleich m_aira/m_colla enthält, da man dieses aus dem Ansaugrohr 3 erhält;
dm_fuel/dt: die Durchflussmenge des in den Zylinder 2 eingespritzten Kraftstoffs ist, wobei dieser Kraftstoff eine Frischluftmenge gleich seiner Masse, multipliziert mit dem stöchiometrischen Verhältnis AF_stöch, verbraucht (die im Falle von Luft/Benzin gleich 14,56 ist); und
dm_out/dt: die Durchflussmenge des Gases in dem Ansaugrohr 8 ist, welche einen Frischluftanteil gleich m_airs/m_colls enthält, da man dieses aus dem Absaugrohr 5 erhält.

Zur Vereinfachung der oben gelieferten Gleichungen wird angenommen, dass in dem Absaugrohr 5 keine Masseansammlung stattfindet; mit anderen Worten, es wird angenommen, dass die Veränderung der prozentualen Frischluftmenge %_airs in dem Absaugrohr 5 ausschließlich durch die Veränderung der von dem Zylinder 2 eingegebenen Konzentrationen verursacht wird und nicht durch die Veränderung der Masseansammlung beeinflusst wird. Diese Hypothese ist realistisch und bringt keine sehr großen Fehler ein, da das Ansaugrohr 5 im allgemeinen ein vermindertes Volumen aufweist (welches sehr viel kleiner als das Volumen des Ansaugrohres 3 ist), und sie wird mit der folgenden Gleichung zusammengefasst:
Entsprechend dieser Hypothese werden die Differentialgleichungen, welche den Mischvorgang für die Gase in dem Ansaugrohr 3 und dem Absaugrohr 5 regulieren, zu:
Neben der oben beschriebenen Modellierung des von dein Ansaugrohr 3 und dem Absaugrohr 5 gebildeten physikalischen Systems erfolgt eine Modellierung des Transports des Gases durch das Absaugrohr 8 sowie durch den Lambda-Sensor 13 selbst und mit der Verzögerung als Reaktion auf den Lambda-Sensor 13; dieses Nebensystem wird mit einem Filter erster Ordnung genähert und mit der folgenden Gleichung dargestellt:
wobei:

m_airlam: die Frischluftmasse als Äquivalent zu dem von dem Lambda-Sensor 13 ausgeführten Ablesung ist; und
tλ: die Zeitkonstante des Filters erster Ordnung, d.h. annähernd ein Drittel der Ansprechzeit des Lambda-Sensors 13, ist.

Es sei angemerkt, dass die Äquivalenzmasse m_airlam der Frischluft keine physikalische Bedeutung aufweist, da an dem Lambda-Sensor 13 keine Erhöhung der Dichte der Gasmasse eintritt; die Masse m_airlam der äquivalenten Frischluft stellt die Frischluftmasse dar, welche man in einem hypothetischen Rohr erhielte, das an der Anschlussstelle des Sensors angebracht ist und mit einem Gas mit einer Masse gefüllt ist, die äquivalent zu der Gesamtmasse m_colls des in dem Ansaugrohr 5 vorhandenen Gases ist. Die äquivalente Frischluftmasse m_airlam ist der Messung λ des Lambda-Sensors 13 mit einem bekannten statischen Verhältnis zugeordnet.
Durch Anwendung der Zustandsgleichung der Gase auf das Ansaugrohr 3 und auf das Absaugrohr 5 erhält man die folgenden Gleichungen:
in denen:

P_colla: der Druck des Gases in dein Ansaugrohr 3 ist, der in Echtzeit von einem Sensor 15 einer bekannten Art gemessen wird, der in dem Ansaugrohr 3 selbst angeordnet ist;
T_colla: die Temperatur des Gases in dem Ansaugohr 3 ist, die in Echtzeit von dem Sensor 15 gemessen wird;
V_colla: das Innenvolumen des Ansaugrohres 3 ist, das konstant ist und von den Konstruktionsdaten des Ansaugrohres 3 selbst her bekannt ist;
P_colls: der Druck des Gases in dem Absaugrohr 5 ist, der in Echtzeit von einem Sensor 16 einer bekannten Art gemessen wird, der in dem Absaugrohr 5 selbst angeordnet ist;
T_colls: die Temperatur des Gases in dem Absaugrohr 5 ist, die in Echtzeit von dem Sensor 16 gemessen wird;
V_colls: das Innenvolumen des Absaugrohres 5 ist, das konstant ist und von den Konstruktionsdaten des Absaugrohres 5 selbst her bekannt ist; und
R: die Konstante der jeweils in dem Ansaugrohr 3 und dem Absaugrohr 5 vorhandenen Gase ist. Die Konstante R verändert sich, wenn sich die Zusammensetzung der vorhandenen Gase verändert (insbesondere wenn sich das Molekulargewicht der vorhandenen Gase ändert); jedoch ist die Veränderung der Konstanten R zwischen Frischluft und Verbrennungsgas sehr gering, und bei der ersten Näherung der obigen Gleichungen kann immer ein einziger konstanter Durchschnittswert gleich 287 Pa m³/°K kg verwendet werden.

Die vorstehende Beschreibung lässt sich in einem Gesamtsystem S dritter Ordnung zusammenfassen, wobei variable Koeffizienten mit den Gleichungen
zusammengefasst werden. Als Zustandsvariable des Systems S sind die Masse m_aira der in dem Ansaugrohr 3 vorhandenen Frischluft, die Masse m_airs der in dem Absaugrohr 5 vorhandenen Frischluft und die Masse m_airlam der Frischluft gewählt, die gleichwertig der von dem Lambda-Sensor 13 ausgeführten Sauerstoffablesung ist; diese Zustandsvariablen sind durch den Vektor x beschrieben:
Als Zustandsvariable des Systems S sind die Durchflussmenge dm_thr/dt der von dem Drosselklappenventil 7 zugeführten Luft und die Durchflussmenge dm_fuel/dt des in den Zylinder 2 eingespritzten Kraftstoffs gewählt; diese Zustandsvariablen sind durch den Vektor u beschrieben:
Schließlich ist aus Ausgangsvariable des Systems S die Masse m_airlam der Frischluft gewählt, die gleichwertig der von dem Lambda-Sensor 13 ausgeführten Ablesung ist; diese Zustandsvariable ist durch den Vektor y beschrieben:
Die Matrizen A(u) und B der Koeffizienten und der Vektor C der Koeffizienten sind ebenfalls definiert:
Es sei angemerkt, dass eines der Elemente der Matrix A von der Durchflussmenge dm_fuel/dt des in den Zylinder 2 eingespritzten Kraftstoffs abhängt, d.h. von einer der Eingaben u; diese Abhängigkeit ist jedoch verhältnismäßig gering, da bei der Berechnung des Koeffizienten der Matrix A die Durchflussmenge dm_fuel/dt des in den Zylinder 2 eingespritzten Kraftstoffs zu der Durchflussmenge dm_eng/dt der dem Zylinder 2 zugeführten Luft hinzu addiert wird, welche numerisch sehr viel bedeutender als die Durchflussmenge dm_fuel/dt des Kraftstoffs selbst ist. Im wesentlichen sind deshalb die Eigenwerte stabil und werden durch die Eingaben u wenig beeinflusst, und aus diesem Grund ist in der folgenden Beschreibung die Abhängig keit der Matrix A von den Eingaben u außer Acht gelassen; es sollte jedoch angemerkt werden, dass sich die Eigenwerte ändern, wenn sich der Antriebspunkt ändert.
Zur Zusammenfassung der vorstehenden Informationen wird das System S mit der Gleichung
rekapituliert.
Durch das System S der Differentialgleichungen, welches die stationären Bedingungen (Nulldrift und Massengleichgewicht in dem Ansaugrohr 3) festlegt, wird die folgende Gleichung geliefert, welche die Messung λ (normalerweise im Bereich zwischen 0,9 und 3) durch den Lambda-Sensor 13 dem Ausgang y des dynamischen Systems S zuordnet:
Die obigen Gleichungen reichen aus, damit eine Beobachterschaltung O den Zustand x des Systems S zusammenfassen kann, welcher (in einer leicht aus der wohlbekannten Beobachterschaltungstheorie bestimmbaren Weise) festgestellt werden kann, wenn der folgende bestimmende Faktor anders als Null beträgt:
und dieser von Null verschiedene Zustand gilt stets, wenn sich der Motor 1 in Bewegung befindet.
Wenn das System S zusammengefasst wird, erhält man folgendes:
wobei die Matrizen x und x die geschätzten Werte von x und y sind (wobei y die weiter oben beschriebene m_airlam (λ) ist). A, B und C sind Matrizen des weiter oben beschriebenen realen Systems S, und der Vektor K ist die Verstärkung bei dem Betrachter O, mit deren Hilfe die Pole der Beobachterschaltung O selbst festgelegt werden.
Die abschließende Form der Beobachterschaltung O in dem Zustandsraum lautet:
Die oben beschriebene Beobachterschaltung O ist eine Beobachterschaltung 0 für den Zustand der Gaszusammensetzung in dem Ansaug-/Absaug-System des Motors 1, er wird in bekannter Weise in der Schätzvorrichtung 14 umgesetzt und kann aktiviert werden, sobald der Motor 1 angelassen wird. Experimentelle Tests haben gezeigt, dass es von Vorteil ist, vor dem Aktivieren der Beobachterschaltung 0 zu warten, bis der Motor 1 Wärmestabilität erreicht.
Der Ausgabewert der Beobachterschaltung O besteht aus den Schätzungen m _airs und m _airs der jeweils in dem Ansaugrohr 3 und in dem Ansaugrohr 5 vorhandenen Frischluftmassen, diese Schätzungen lassen sich in Form eines prozentualen Anteils ausdrücken, da aus der weiter oben bereitgestellten Gleichung für die Gase die Gasgesamtmassen m_colla und m_colls bekannt sind, die jeweils in dem Ansaugrohr 3 und in dem Ansaugrohr 5 vorhanden sind. Die Schätzvorrichtung 1 kann mithin in Echtzeit an die Steuereinheit 12 einen Schätzwert des prozentualen Anteils %_aira der in dem Ansaugrohr 3 vorhandenen Frischluft und einen Schätzwert des prozentualen Anteils %_airs der in dem Ansaugrohr 5 vorhandenen Frischluft im Verhältnis zu den entsprechenden Gesamtmassen m_colla und m_colls des Gases liefern, welches jeweils in dem Ansaugrohr 3 und in dem Absaugrohr 5 vorhanden ist.
Während der Motor 1 funktioniert, nutzt die Steuereinheit 12 die Schätzwerte der prozentualen Anteile %_aira und %_airs der in dem Ansaugohr 3 und in dem Absaugrohr 5 vorhandenen Frischluft, um das Drosselklappenventil 7, das Rückführungsventil 10 und die Einspritzventile 11 zu steuern, um die Zylinder 2 mit einer Menge der Mischung von Verbrennungsmittel (Frischluft) und Kraftstoff mit einem Verhältnis zu füllen, welches gemäß den Betriebszuständen des Motors 1 und gemäß den von dem Fahrer empfangenen Befehlen bestimmt wird.
Vorzugsweise werden die Ziele für die Durchflussmenge des Rückführungsventils 10 (oder EGR-Ventils) und des Drosselklappenventils 7 als Zieldurchflussmenge dm_airtobj/dt der in dem Zylinder 2 benötigten Frischluft und als Zielverhältnis EGR_EFF_OBJ zwischen der Durchflussmenge dm_EGR/dt des von dem Rückführungsventil 10 gelieferten Gases und der Gesamtdurchflussmenge dm_eng/dt des zu dem Zylinder 2 gelieferten Gases angegeben; diese Ziele werden in bekannter Weise gemäß dem Antriebspunkt von der Steuereinheit 12 bestimmt, um die Verbrennung in dem Zylinder 2 zu optimieren.
Die Zieldurchflussmenge dm_airtotobj/dt und das Zielverhältnis EGR_EFF_OBJ, werden in eine Zieldurchflussmenge dm_throbj/dt der Luft durch das Drosselklappenventil 7 hindurch und in eine Zieldurchflussmenge dm_EGRobj/dt des Gases durch das Rückführungsrohr 9 umgewandelt, um das Drosselklappenventil 7 und das Rückfüh rungsventil 10 direkt zu steuern; diese Umwandlung wird mit Hilfe der folgenden Gleichungen ausgeführt:
Es sei angemerkt, dass bei der Berechnung der Zieldurchflussmenge dm_E _GRobj/dt des Gases durch das Rückführungsrohr 9 ein Korrekturwert einer proportionalen Art vorhanden ist, welcher durch die Differenz zwischen einem Zielwert %_airaobj des prozentualen Anteils der in dem Ansaugrohr 3 vorhandenen Frischluft und dem tatsächlichen Prozentwert %_aira der in dem Ansaugrohr 3 vorhandenen Frischluft verursacht wird; dieser Korrekturwert einer proportionalen Art bildet einen Proportionalregulator und wird verwendet, um eine Durchflussmengenspitze durch das Rückführungsrohr 9 hindurch zu garantieren, um ein schnelles Entleeren oder schnelles Füllen des Ansaugrohres 3 gemäß den durch die Steuereinheit 12 festgelegten Zielen zu ermöglichen. Mit anderen Worten, dieser Proportionalkorrekturwert (welcher durch Verwendung des Multiplikationsfaktors k_p kalibriert werden kann) ermöglicht es, die Dynamik des Einfüllens der Mischung von Frischluft und Inertgas in das Ansaugrohr 3 und mithin in den Zylinder 2 zu beschleunigen.
Des weiteren sollte angemerkt werden, dass in den oben beschriebenen Gleichungen, welche die Berechnung der Zieldurchflussmenge dm_throbj/dt durch das Drosselklappenventil 7 und der Zieldurchflussmenge _dmEGRobj/dt durch das Rückführungsrohr 9 ermöglichen, die Schätzwerte der prozentualen Frischluftanteile %_aira und %_airs vorhanden sind, wobei diese Schätzwerte die dynamischen Schätzwerte der Beobachterschaltung O bilden.
Durch die oben beschriebene Steuerung der Ziele wird es möglich, die Betätigungsglieder der Drosselklappenventile 7 und des Rückführungsventils 10 mit Positionierzielen zu versorgen, welche konstant mit dem von der Beobachterschaltung O gelieferten derzeitigen Zustand übereinstimmen, und folglich wird durch die oben beschriebene Steuerung der Ziele bei Übergangsbedingungen wie auch bei stationären Bedingungen eine vollständige Übereinstimmung mit der Zieldurchflussmenge dm_airtobj/dt und mit dem Zielverhältnis EGR_EFF_OBJ sichergestellt.
Die Beobachterschaltung O ordnet im wesentlichen sämtliche Hauptsteuerventile des Motors 1 (mit Ausnahme des Zündverstellwertes) einander zu; gemäß einer bevorzugten Ausführungsform führt die Steuereinheit 12 zyklisch eine Kontrolle zu den Schätzwerten der Hauptsteuerventile des Motors 1 durch. Mit anderen Worten, die Steuereinheit 12 prüft, dass die von der Beobachterschaltung O gelieferten Schätzwerte für die Hauptsteuerwerte des Motors 1, offenkundig innerhalb eines bestimmten Toleranzabstandes, mit den Werten übereinstimmen, welche mit anderen Mess- und/oder Schätzvorrichtungen für die gleichen Steuerwerte bestimmt wurden. Beispielsweise wird der geschätzte Wert λ der Messung mit dem Lambda-Sensor 13 mit dem tatsächlichen Wert λ der Messung mit dem Lambda-Sensor 13 verglichen, wenn der tatsächliche Wert λ (normalerweise mit einer Verzögerung von 100–300 ms) zur Verfügung steht; wenn eine Differenz zwischen den zwei Werten besteht, die größer als die akzeptierten Toleranzen ist, korrigiert die Steuereinheit 12 die Schätzwerte und sucht nach den Ursachen, welche die Differenz zwischen den zwei Werten veranlasst haben. Mit diesem Mittel kann die Steuereinheit 12 (durch Prüfung, ob der geschätzte Wert und der gemessene Wert übereinstimmen) sowohl einen Eigentest vornehmen als auch eine Eigenkorrektur ausführen (welche deren eigene Schätzungen modifiziert, um die Herstellung einer Übereinstimmung zwischen dem geschätzten Wert und dem gemessenen Wert zu versuchen).
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform nutzt die Steuereinheit 12 den von der Schätzvorrichtung 14 gelieferten, geschätzten Wert λ der Messung mit dem Lambda-Sensor 13 zum Steuern des Motors 1 in Kombination mit dem tatsächlichen Wert λ der Messung mit dem Lambda-Sensor 13 oder als Alternative zu diesem; in der Verwendung des geschätzten Wertes λ der Messung mit dem Lambda-Sensor 13 liegen zwei unbestreitbare Vorteile, da dieser geschätzte Werte λ nicht durch Messverzögerungen beeinträchtigt wird (wobei andererseits der tatsächliche Wert λ Verzögerungen aufweist, die bei einem Motortakt zwischen 10 und 100 ms zwischen 100 und 330 ms variabel sind), und der geschätzte Werte λ für jeden einzelnen Zylinder 2 verfügbar sein könnte. Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, dass die Steuereinheit 12 durch Verwendung des von der Schätzvorrichtung 14 gelieferten, geschätzten Wertes λ der Messung mit dem Lambda-Sensor 13 eine unabhängige Steuerung des Zählwertes für jeden einzelnen Zylinder 2 vornehmen könnte.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der in dem Ansaug- und dem Absaugrohr (3, 5) einer Verbrennungskraftmaschine (1) vorhandenen Frischgasmenge (m_aira, m_airs) mit einem Rückführungskreis (9, 10) durch eine Überwachungsvorrichtung, angewandt auf ein System (S), mit welchem das von dem Ansaug- und dem Absaugrohr (3, 5) gebildete physikalische System modelliert wird; wobei das zu überwachende System (S) aus Differentialgleichungen, welche die Gasmischvorgänge regeln, und aus einer Gleichung erhalten wird, welche das Verhalten eines Lambda-Sensors (13) darstellt; wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass die Zustandsvariablen (x) des Systems (S) eine Frischluftmasse (m_aira), welche in dem Ansaugrohr (3) vorhanden ist, eine Frischluftmasse (m_airs), welche in dem Absaugrohr (5) vorhanden ist, und eine Frischluftmasse (m_airlam) sind, welche gleichwertig der von einem Lambda-Sensor (13) ausgeführten Sauerstoffanzeige ist; wobei die Eingangsvariablen (u) des Systems (S) eine Durchflussmenge (dm_thr/dt) der von einem Drosselklappenventil (7) zugeführten Luft und eine Durchflussmenge (dm_fuel/dt) des in den Zylinder (2) eingespritzten Kraftstoffs sind; und die Ausgangsvariable (y) des Systems (S) eine Sauerstoffmasse (m_oxylam) ist, welche gleichwertig der von dem Lambda-Sensor (13) ausgeführten Sauerstoffanzeige ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Differentialgleichungen, welche die Gasmischvorgänge regeln, folgende sind:
wobei m_aira die in dem Ansaugohr (3) vorhandene Frischluftmasse ist; m_colla die in dem Ansaugrohr (3) vorhandene gesamte Masse der Frischluft ist; m_airs die in dem Absaugohr (5) vorhandene Frischluftmasse ist; m_colls die in dem Ansaugohr (3) vorhandene gesamte Masse der Frischluft ist; dm_thr/dt die Durchflussmenge der von einem Drosselklappenventil zugeführten Luft ist; dm_EGR/dt die Durchflussmenge des Gases in dem Rückführungsrohr (9) ist; dm_eng/dt die Durchflussmenge des in den Zylinder (2) geführten Gases ist; dm_fuel/dt die Durchflussmenge des in den Zylinder (2) eingespritzten Kraftstoffs ist; Af_stech, das stöchiometrische Verhältnis ist; und dm_out/dt die Durchflussmenge des Gases in einem Ansaugohr (8) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Differentialgleichungen, welche die Gasmischvorgänge regeln, als
vereinfacht sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Verhalten des Lambda-Sensors (13) mit einem Filter der ersten Ordnung modelliert wird, dargestellt durch die folgende Gleichung:
wobei m_airs die in dem Absaugrohr (5) vorhandene Frischluftmasse ist; m_airlam eine Frischluftmasse ist, die gleichwertig der von dem Lambda-Sensor (13) ausgeführten Sauerstoffanzeige ist; und tλ die Zeitkonstante des Filters der ersten Ordnung ist, d.h. annähernd ein Drittel der Ansprechzeit des Lambda-Sensors (13) beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das zu überwachende System (S) der dritten Ordnung mit der Gleichung
dargestellt ist, wobei x ein Vektor ist, welcher die Zustandsvariablen des Systems (S) darstellt; y ein Vektor ist, welcher die Ausgangsvariable des Systems (S) darstellt; u ein Vektor ist, welcher die Eingangsvariablen des Systems (S) darstellt; A die Zustandsmatrix der Eingänge des Systems (S) ist; B die Matrix der Eingänge des Systems (S) ist, und C die Matrix der Ausgänge des Systems (S) ist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Gesamtmasse (m_colla) des in dem Ansaugrohr (3) vorhandenen Gases und die Gesamtmasse (m_colls) des in dem Absaugrohr (5) vorhandenen Gases durch Anwendung der Gleichung für die Gase in Kenntnis des Volumens (V_a, V_S) des Ansaug- und des Absaugrohres (3, 5) und durch Messen des Drucks P_a, P_s) und der Temperatur (T_a, T_s) der in dem Ansaug- und des Absaugrohr (3, 5) vorhandenen Gase ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 5 und Anspruch 6, wobei eine Messung von (λ) durch den Lambda-Sensor (13) der Ausgangsvariablen (y) des Systems (S) mit der Gleichung:
zugeordnet wird, wobei: m_airlam eine Frischluftmasse ist, welche gleichwertig der von dem Lambda-Sensor (13) ausgeführten Sauerstoffanzeige ist; AF_stech das stöchiometrische Verhältnis ist; und m_colls die gesamte in dem Absaugrohr (5) vorhandene Gasmasse ist.
Verfahren nach den Ansprüchen 6, 7 und 8, wobei die Überwachungsvorrichtung (O) die folgende Endform aufweist:
wobei: x und y die geschätzten Werte der Vektoren x bzw. y der Zustandsvariablen und des Ausgangs des Systems (S) sind; A die Zustandsmatrix des Systems (S) ist; B die Matrix der Eingänge des Systems (S) ist; C die Matrix der Ausgänge des Systems (S) ist; und K der Verstärkungsvektor der Überwachungsvorrichtung (O) ist, mittels dessen die Pole der Überwachungsvorrichtung (O) festgelegt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Zielwerte der Durchflussmenge eines Rückführungsventils (10) und eines Drosselklappenventils (7) als erste Zieldurchflussmenge (dm_airtotobj/dt) der in dem Zylinder (2) benötigten Frischluft und als Zielverhältnis (EGR_EFF_OBJ) zwischen einer Durchflussmenge (dm_EGR/dt) des Gases in dem Rückführungsrohr (9) und einer Durchflussmenge (dm_eng/dt) des insgesamt dem Zylinder (2) zugeführten Gases ausgedrückt sind.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die erste Zieldurchflussmenge (dm_airtotobj/dt) und das Zielverhältnis (EGR_EFF_OBJ) in eine zweite Zieldurchflussmenge (dm_throbj/dt) der Luft durch ein Drosselklappenventil (7) und in eine dritte Zieldurchflussmenge (dm_EGRobj/dt) des Gases durch ein Rückführungsrohr (9) umgewandelt werden, um ein Drosselklappenventil (7) und ein Rückführungsventil (10) direkt zu steuern; wobei diese Umwandlung der Ziele mit Hilfe der folgenden Gleichung ausgeführt wird:
wobei: (EGR_EFF_OBJ) das Zielverhältnis ist; (dm_airtotobj/dt) die erste Zieldurchflussmenge ist; (dm_throbj/dt) die zweite Zieldurchflussmenge ist; (dm_EGRobj/dt) die dritte Zieldurchflussmenge ist; %_airs der Prozentsatz der in dem Absaugrohr (5) vorhandenen Frischluft ist; und %a_irobj der Zielwert des Prozentsatzes der in dem Ansaugrohr (3) vorhandenen Frischluft ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Überwachungsvorrichtung (O) einen geschätzten Wert (λ) der Messung durch den Lambda-Sensor (13) liefert, wobei der geschätzte Wert (λ) zum Steuern des Motors (1) als Alternative zu dem tatsächlichen Wert (λ) der Messung durch den Lambda-Sensor (13) oder zusammen mit dem Wert verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei mindestens eine Schätzung eines von der Überwachungsvorrichtung (O) geschätzten Steuerungswer tes des Motors (1) mit einer nachfolgenden Messung des gleichen Wertes verglichen wird, um die Zuverlässigkeit der Überwachungsvorrichtung (O) oder der Messung zu überprüfen.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei ein von der Überwachungsvorrichtung (O) geschätzter Wert (λ) der Messung durch den Lambda-Sensor (13) mit einem tatsächlichen Wert (λ) der Messung durch den Lambda-Sensor (13) selbst verglichen wird, um die Zuverlässigkeit der Überwachungsvorrichtung (O) oder der Messung zu überprüfen.