DE69732890T2

DE69732890T2 - Verfahren zur Bestimmung von pneumatischen Zuständen in einem Brennkraftmaschinensystem

Info

Publication number: DE69732890T2
Application number: DE69732890T
Authority: DE
Inventors: Peter James Dearborn Maloney
Original assignee: Delphi Technologies Inc
Current assignee: Delphi Technologies Inc
Priority date: 1996-12-02
Filing date: 1997-11-10
Publication date: 2005-08-18
Anticipated expiration: 2017-11-11
Also published as: DE69732890D1; US5753805A; EP0845586B1; EP0845586A2; EP0845586A3

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Steuerung von Verbrennungsmotoren und ist insbesondere auf die Bestimmung des Ansaugkanalstromes, wie bei solchen Steuerungen verwendet, gerichtet.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Kraftstoffzufuhr von Verbrennungsmotoren, die Abgasrückführung und die Steuerung der Spülung des Aktivkohlebehälters erfordern ein genaues Messen der Rate, mit der sich der Strom durch jedes entsprechende Teilsystem bewegt, um Emissionen und eine umfassende Diagnose der Komponenten zu steuern. Der "Luftmassenstrom", wie er üblicherweise bezeichnet wird, muss bestimmt werden, um das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in Übereinstimmung mit gut bekannten Leistungs- und Emissionszielen auf ein vorbestimmtes Verhältnis zu regeln. Dies ist immer gültig, sei es, dass der Kraftstoff zu einzelnen Zylindern dosiert wird, wie bei der gut bekannten Ansaugkanaleinspritzung, oder bei einer Zentraleinspritzung, wobei erstere sogar noch strengere Anforderungen an Genauigkeit und Ansprechbarkeit der Luftmassenabschätzungen stellt. Im Allgemeinen ist es wünschenswert, die Menge des dosierten Kraftstoffes derart zu steuern, dass ein stöchiometrisches Kraftstoff/Luft-Verhältnis erreicht wird. Dies geschieht in erster Linie auf Grund von Überlegungen hinsichtlich der Emissionen von modernen Kraftfahrzeugen, die Dreiwege-Katalysatoren verwenden, um unerwünschte Abgasbestandteile zu behandeln. Abweichungen von stöchiometrischen Verhältnissen können unerwünschte Anstiege eines oder mehrerer Abgasbestandteile(s), wie auch Leistungsverschlechterungen des Kraftfahrzeuges zur Folge haben. Genauigkeit bei den Luftmassenstromdaten ist daher wünschenswert.
Verschiedene Verfahren zur Luftmassenstromabschätzung sind bekannt, und diese umfassen allgemeine Kategorien direkter automatischer Messung oberstromig von dem Ansaugrohr, was ein Filtern erfordert, um eine genaue Übereinstimmung an den Motoransaugkanälen herzustellen, und indirekte voraussagende Abschätzungen an dem Punkt der Kraftstoffzufuhr in den Ansaugkanal. Das frühere Verfahren verwendet einen Luftmassendurchsatzsensor oder -messer, welcher verschiedene Formen einschließlich Hitzdraht-Anemometer und Ablenkungsplattensensoren annehmen kann. Das letztere Verfahren verwendet eine Art von Geschwindigkeitsdichteberechnung. Gleichwie, alle Anwendungen müssen ein Abschätzverfahren verwenden, um den Massenstrom an den Ansaugkanälen zu bestimmen.
Luftmassendurchsatzmesser sind herkömmlicherweise oberstromig von dem Ansaugrohr angeordnet und bringen daher eine bedeutende zu durchlaufende Distanz für angesaugte Luft mit sich, wie auch bestimmte unerwünschte Stromeigenschaften, z. B. Schwankungen und Rückströme, und volumetrische Parameter auf Grund des Leitungssystems zwischen der Messvorrichtung und den Zylindereinlässen, das Verbindungsrohr-, Sammel-, und einzelne Ansaugrohre umfassen kann. Diese kennzeichnenden Merkmale erzeugen eine Verzögerung zwischen der Datenerfassung des Luftmassendurchsatzsensors und tatsächlichen Zylinderereignissen, die während transienter Betriebsbedingungen besonders störend werden kann. Zusätzlich ist ebenfalls bekannt, dass Ansaugabstimmungseffekte die Anzeigen von typischen Hitzdraht-Luftmassendurchsatzsensoren zumindest während bestimmter Motorbetriebsbereiche nachteilig beeinflussen können.
Bekannte Geschwindigkeitsdichteverfahren stellen eine kosteneffiziente und im Allgemeinen robuste Alternative zu Luftmassenstrom erfassender Hardware dar. Solche Geschwindigkeitsdichteverfahren basieren auf Messungen der Ansaugrohr-Gastemperatur, dem Ansaugrohr-Absolutdruck sowie auf der Motordrehzal und können für verbesserte Genauigkeit über Luftmassendurchsatzmesser während eines transienten Betriebes sorgen. Ein beispielhaftes Geschwindigkeitsdichteverfahren ist das an den Antragsteller der vorliegenden Erfindung erteilte US-Patent Nr. 5 094 213. In diesem Verweis ist ein Verfahren zum Vorhersagen zukünftiger Fahrzeugmotorzustände offenbart, das eine modellbasierte Vorhersage und eine messungsbasierte Korrektur für die Motorsteuerfunktionen wie z. B. die Steuerung des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses umfasst.
Es ist jedoch einzusehen, dass Geschwindigkeitsdichteansätze anfällig für systematische Fehler aus sich langsam ändernden Parametern wie Umgebungsluftdruck, Temperatur, und Verdünnung der Ansaugluft aus rückgeführtem Motorabgas sind, wenn diese nicht richtig berücksichtigt werden. Das US-Patent Nr. 5 465 617, ebenfalls an den Antragsteller erteilt, beschreibt ein System, das Information über die Luftrate von einem Luftmassendurchsatzmesser in eine Korrektur des volumetrischen Wirkungsgrades aufnimmt, um systematische Fehler, für die der Geschwindigkeitsdichteansatz anfällig sein kann, zu berücksichtigen. Während ein solcher Ansatz den Stand der Technik verbessert, führt er zu dem Aufwand, eine den Luftmassenstrom erfassende Hardware und Systemsteuerungsdurchsatz zu erfordern, und funktioniert im Allgemeinen nicht gut bei kleinen Motoren, da der Umkehr/Rückstrom signifikant in einem großen Abschnitt des Motorbetriebsbereiches statt findet. Das US-Patent Nr. 5 497 329 beschreibt ebenfalls ein Vorhersageverfahren für den Luftmassenstrom, das empirisch bestimmte Kalibrierungsdatensätze des volumetrischen Wirkungsgrades in Beziehung zu Motordrehzahl und Ansaug rohr-Absolutdruck umfasst. Zusätzlich können weitere Kalibrierungsdatensätze, die den volumetrischen Wirkungsgrad mit solchen variablen Betriebsbedingungen wie Abgasrückführung und Leerlaufluft-Umleitung in Beziehung setzen, gebaut werden.
Die bisher beschriebenen Luftmassenstromverfahren erfordern eine wesentliche Kalibrierung durch von empirischen Daten hergeleitete konstruierte Datensätze. Derartige Verfahren erfordern im Allgemeinen Kalibrierungen am Fahrzeug, die jedes Mal, wenn ein oder mehrere Bauteile oder dessen/deren kennzeichnende betriebliche Eigenschaften geändert wird/werden, für den gesamten Motor wiederholt werden müssen.
Ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, welches neurale Netzwerke verwendet, wird von U. Lenz und D. Schroeder in "Artificial Intelligence for Combustion Engine Control" ("Künstliche Intelligenz zur Steuerung von Verbrennungsmotoren"), SAE Technische Druckschrift 960328, 1996, beschrieben.
Die US 5 205 260 offenbart ein Verfahren zum Bestimmen einer Zylinderluftmassenstromrate eines Verbrennungsmotors mittels einer Verweistabelle, die unter einem stationären Motorlaufzustand entwickelt worden ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wie sie in Anspruch 1 dargelegt ist, ist ein Verfahren zum Bestimmen von pneumatischen Zuständen in einem Verbrennungsmotorsystem. Das Verbrennungsmotarsystem umfasst eine Vielzahl von pneumatischen Elementen mit Gasstromanschlüssen und einer Vielzahl von pneumatischen Stromverzweigungen, die den Gasstrom zwischen verschiedenen aus der Vielzahl von pneumatischen Elementen verbinden.
Mehrere Stellen in dem Verbrennungsmotorsystem sind als pneumatische Knoten bestimmt. Im Allgemeinen versteht man unter pneumatischen Knoten relativ wesentliche volumetrische Bereiche, wie z. B. Verteilerrohre oder andere wesentliche Volumina des Motorsystems. Pneumatische Parameter, die bestimmten ausgewählten pneumatischen Elementen zugehörig sind, welche mit einem jeden von den pneumatischen Knoten verbunden sind, werden in Übereinstimmung mit dem pneumatischen Elementtyp aus der Gruppe von pneumatischen Parametern bereitgestellt, die den oberstromigen und unterstromigen Druck, geometrische oder andere Strom ändernde Merkmale und Strom zwingende Einträge umfassen. Pneumatische Elemente werden im Allgemeinen eingeteilt in pneumatische Widerstandselemente, die fixe oder variierbare Strömungsgeometrien aufweisen können, pneumatische Kapazitätselemente, z. B. wesentliche fixe Volumina, sowie pneumatische Quellenelemente, die Ströme durch das Motorsystems zwingen. An jedem von den pneumatischen Knoten wird ein erster pneumatischer Zustand, die Druckänderungsrate, aus einer vorbestimmten Beziehung aus dem entsprechenden Satz von pneumatischen Parametern bestimmt.
Die Druckänderungsrate wird aus einer Summierung von entsprechenden Gasmassenströmen durch die ausgewählten pneumatischen Elemente bestimmt. Gasmassenströme werden vorzugsweise für jedes Element als eine Funktion bestimmter, dem jeweiligen Element zugehöriger pneumatischer Parameter bestimmt. Ein Standard-Gasmassenstrom wird bestimmt, der, wenn es angebracht ist, sodann durch Dichte-Korrekturfaktoren als Funktionen von Temperatur und Druck für Ist-Zustände korrigiert wird. Die Summierung der Gasmassenströme wird vorzugsweise in Übereinstimmung mit einem vorbestimmten Dämpfungsfaktor, der eine Funktion der Knotenvolumina ist, gedämpft.
In Übereinstimmung mit einem Aspekt der Erfindung wird ein zweiter pneumatischer Zustand, der Druck, an dem pneumatischen Knoten als eine vorbestimmte Funktion des ersten pneumatischen Zustandes, der Druckänderungsrate, bestimmt. Vorzugsweise wird die Druckänderungsrate numerisch integriert, um den Druck aus der Druckänderungsrate zu bestimmen.
Die verschiedenen allgemeinen Abarten von pneumatischen Elementen in dem Verbrennungsmotorsystem bestimmen die pneumatischen Parameter, die verwendet werden, um den Gasmassenstrom hierdurch zu bestimmen. Im Allgemeinen wird der Gasmassenstrom durch ein pneumatisches Widerstandselement als eine vorbestimmte Funktion von oberstromigem und unterstromigem Druck bestimmt. Zusätzlich können solche Elemente ferner variierbare Strömungsgeometrien umfassen und daher wird ein zusätzlicher Parameter einer solchen Geometrie in die vorbestimmte Funktion aufgenommen, um den Gasmassenstrom zu bestimmen. Pneumatische Kapazitätselemente sind im Allgemeinen durch wesentliche fixe Volumina gekennzeichnet, und der Netto-Gasmassenstrom, der diesen entspricht, wird vorzugsweise mit einem von den Elementvolumina abhängigen Faktor gedämpft. Der Gasmassenstrom durch ein pneumatisches Quellenelement wird als eine Funktion von oberstromigem und unterstromigem Druck, einem zwingenden Eintrag, wie z. B. die Motordrehzahl im Fall eines Verbrennungszylinders, und Ansaugkanalstrom bestimmt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 ein schematisches Diagramm eines Fremdzündungs-Verbrennungsmotorsystems gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
2 ein schematisches Diagramm eines Abschnitts des in 1 veranschaulichten Verbrennungsmotorsystems ist, das zusätzlich ein schematisches Diagramm eines Laders veranschaulicht;
3 ein schematisches Diagramm eines Auslassabschnitts des in 1 veranschaulichten Verbrennungsmotorsystems ist, das zusätzlich ein schematisches Diagramm einer elektrisch angetriebenen AIR-Pumpe veranschaulicht;
4 eine Flussdiagramm ist, das einen Satz von Programmanweisungen zum Ausführen durch ein computergestütztes Steuermodul bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung darstellt;
5 ein. schematisches Diagramm eines Verbrennungsmotorsystems mit Sensor-, Aktuator- und Benutzerschnittstellen ist;
6 ein schematisches Signalflussdiagramm zum Durchführen von Gasmassenstromabschätzungen durch verschiedene pneumatische Elemente gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
7 ein schematisches Signalflussdiagramm zum Durchführen von Gasmassenstromabschätzungen durch einen mit einer variierbaren Nockenverstellung ausgerüsteten Motor gemäß der vorliegenden Erfindung ist; und
8 ein schematisches Signalflussdiagramm zum Durchführen von Abschätzungen der Druckänderungsraten und des Druckes an verschiedenen Bereichen des Motorsystems gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Unter Bezugnahme zuerst auf 5, ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften Verbrennungsmotorsystems und einer Steuerarchitektur gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Motor 77 umfasst einen herkömmlichen Verbrennungsmotor mit zumindest einer Brennkammer und einem Zylinder sowie herkömmlicher/m Ansaugung, Auslass, Kraftstoffzufuhr, und im Fall von fremdgezündeter Motoren fremdgezündete Teilsysteme. Eine Menge von Motorbetriebsparametern und Zuständen, die die Kühlmitteltemperatur, die Motordrehzahl (U/min), die Außenlufttemperatur, den Ansaugrohr-Absolutdruck (MAP), die Drosselklappenstellung, und die Abgasrückführungsventilstellung umfassen, werden durch herkömmliche Sensoren 79 umgewandelt. Der Bedienereingang 96 veranschaulicht den Bedarf des Bedieners an Motordrehmoment und umfasst im Wesentlichen die Änderung der Stellung der Drosselklappe (nicht dargestellt) durch herkömmliche mechanische Verbindungen. Die Drosselklappenstellung wird umgewandelt 79 und liefert Information über die Drosselklappenstellung. Alternativ kann bei so genannten elektronischen Gaspedalen der Bedienereingang die Umwandlung einer Gaspedalstellung in eine Anforderung nach Raddrehmoment umfassen, was durch Ändern der Drosselklappenstellung mittels einer aktuatorgesteuerten Drosselklappe beantwortet wird. Von diesen und weiteren Sensoreingängen werden in dem pneumatischen Zustandsmodell/Abschätzungs-Block 95 insbesondere U/min und MAP verwendet. Weitere von den Sensoreingängen werden zusammen mit Ausgängen des pneumatischen Zustandsmodell/Abschätzungs-Blocks 95 als Steuereingänge in den Motorsteuerungsblock 97 verwendet, der in Ansprechen darauf verschiedene gut bekannte Funktionen wie Kraftstoffzufuhr, Zündpunktsteuerung und Leerlaufdrehzahlregelung steuert. Der Motorsteuerungsblock 97 kann auch verschiedene diagnostische Routinen in Abhängigkeit von den verschiedenen Zuständen und erfassten Eingängen wie beschrieben umfassen. Die Motorsteuerung 97 stellt eine Vielzahl von Ausgaben an den System-aktuatorblock 99 zur Durchführung der gewünschten Steuerfunktionen an dem Motor 77 bereit. Das umrandete Kästchen 93 mit dem pneumatischen Zustandsmodell/Abschätzungs-Block 95 und dem Motorsteuerungsblock 97 entspricht einem computergestützten Motorsteuergerät (PCM), das die grundlegenden Funktionen durch Durchführen der vorliegenden Erfindung ausführt. PCM 93 ist ein herkömmlicher computergestützter Controller, wie er auf dem Gebiet der Kraftfahrzeuge herkömmlicherweise verwendet wird, und umfasst einen Mikroprozessor, ein ROM, ein RAM und verschiedene Eingangs-Ausgangs-Vorrichtungen mit A/D- und D/A-Umwandlern.
Wenn man sich nun 1 zuwendet, so ist hier ein schematisches Modell eines fremdgezündeten Verbrennungsmotorsystems (System) dargestellt. Das System umfasst im weitesten Sinn alle dem Motor zugehörigen Vorrichtungen, die den Gasmassenstrom beeinflussen oder von diesem beeinflusst werden und schließt die Betriebsumgebung oder Atmosphäre, aus der und in die Gasmasse strömt, ein. Das System ist mit einer Vielzahl von pneumatischen Volumenknoten gekennzeichnet, die durch unterstri chene Kombinationen aus einem großgeschriebenen 'N' und einer Ziffer bezeichnet sind. Zum Beispiel ist die Atmosphäre als pneumatischer Volumenknoten N1 bestimmt und an der Frischluftansaugung 11, dem Auspuffendrohr 39, der Aktivkohlebehälter-Spülleitung 71 und der Kraftstofftankentweichöffnung 76 dargestellt. Das System ist auch mit einer Vielzahl von Gasmassenströmen gekennzeichnet, die durch fett gedruckte Pfeile und Kombinationen aus einem großgeschriebenem 'F' und einer tief gestellten Ziffer bezeichnet sind. Zum Beispiel entspricht der Gasmassenstrom F₁ dem Gasmassenstrom durch den Luftfilter 13 von dem pneumatischen Volumenknoten N1 zu dem pneumatischen Volumenknoten N2.
Das System umfasst eine Vielzahl von pneumatischen Elementen, von denen ein jedes durch zumindest ein Paar Anschlüsse gekennzeichnet ist, durch welche Gasmasse strömt. Beispielsweise ist die Luftansaugung mit Frischluftansaugung 11, Luftfilter 13 und Ansaugkanal 15 ein erstes allgemeines pneumatisches Element mit Anschlüssen an einem Ende, die im Allgemeinen der Luftansaugung 11 entsprechen, und einem weiteren Anschluss an dem anderen Ende, der im Allgemeinen dem Ansaugkanal 15 entspricht. Ein weiteres Beispiel für ein pneumatisches Element ist das Ansaugrohr 23 mit Anschlüssen, die an dem Bremskraftverstärkerkanal 47 angeschlossen sind, der Abgasrückführungs(EGR)-kanal 45, der Ansaugkanal 21, der Ansaugkrümmer 25, der Kurbelgehäuseentlüftungs(PCV)-kanal 49, und der Aktivkohlebehälter-Spülventil(CPV)-kanal 57. Weitere allgemeine Beispiele für pneumatische Elemente in dem System umfassen: das Leerlaufluft-Umleitungsventil 60; die Ansaugluftdrossel mit dem Drosselkörper 17 und der Drosselklappe 19; das Aktivkohlebehälter-Spülventil (CPV) 53; den Kurbelgehäuseentlüftungs(PCV)-kanal 51; den PCV-Frischluftkanal 63; das Kurbelgehäuse 33; das EGR-Ventil 41; den Verbrennungszylinder mit der Brennkammer 31 und dem Ansaugventil und Nocken 26; die Aktivkohlebehälter-Spülentlüftung 67; die Tankentlüftungsöffnung 92; der Auslass mit dem Auslasskanal 35, dem Katalysator und dem Schalldämpfer 37 sowie dem Auspuffendrohr 39. Die verschiedenen in 1 dargestellten Elemente sind beispielhaft und die vorliegende Erfindung ist keinesfalls nur auf die speziell erwähnten beschränkt. Im Allgemeinen kann ein Element gemäß der vorliegenden Erfindung die Form eines/r einfachen Kanals oder Öffnung (z. B. Auslass), eines Ventils mit variierbarer Geometrie (z. B. Drossel), ein Druckreglerventil (z. B. PCV-Ventil), größere Volumina (z. B. Ansaug- und Abgassammelrohre) oder pneumatische Pumpen (z. B. Verbrennungszylinder) aufweisen.
Bei der Veranschaulichung der Wechselbeziehung zwischen den verschiedenen Elementen und Strompfaden in dem Verbrennungsmotorsystem 10 tritt eine Gasmasse (Gas) bei Umgebungsdruck an dem Knoten N1 durch die Frischluftansaugung 11 ein und durchströmt den Luftfilter 13 – Strom F₁. Gas strömt von dem Ansaugkanal 15 durch den Drosselkörper 17 – Strom F₃. Bei einem gegebenen Ansaugrohr-Druck ist die Stellung der Drosselklappe 19 ein Parameter, der die Menge an Gas bestimmt, die durch den Drosselkörper und in den Ansaugkanal 21 hinein angesaugt wird. Von dem Ansaugkanal 21 tritt das Gas in das Ansaugrohr 23, im Allgemeinen als pneumatischer Volumenknoten N3 bezeichnet, ein, wo einzelne Ansaugkrümmer 25 Gas in einzelne Verbrennungszylinder 30 hinein leiten – Strom F₅. Gas wird während des Kolbenabwärtshubes durch das nockenbetätigte Ansaugventil 26 in den Verbrennungszylinder 30 angesaugt und von dort während des Kolbenaufwärtshubes durch das Auspuffkrümmerrohr 27 ausgestoßen. Diese Ansaug- und Ausstoßereignisse sind natürlich durch Kompression und Verbrennung während eines vollen Viertaktvorgangs getrennt. Gas strömt weiter durch das Abgassammelrohr 29, auch als pneumatischer Volumenknoten N5 bezeichnet. Von hier strömt das Gas durch den Katalysator und den Schalldämpfer 37 und schließlich durch das Auspuffendrohr 39 zu dem Umgebungsknoten N1 – Strom F₁₂.
Das veranschaulichte System weist selbstverständlich eine Kurbelgehäuseentlüftung auf, die für eine kontinuierliche Zufuhr eines Teils des Gases – Strom F₂ – von dem Ansaugkanal 15, in der Abbildung im Allgemeinen als pneumatischer Volumenknoten N2 bezeichnet, über den PCV-Frischluftkanal 63 in das Kurbelgehäuse 33 hinein sorgt. Die Kurbelgehäusedämpfe werden von Öl getrennt und kontinuierlich durch das PCV-Ventil 51 und den PCV-Kanal 49 in den Ansaugkanal 21 hinuntergesaugt – Strom F₉.
Bei Motorleerlaufbedingungen, die im Allgemeinen einer aktivierten Drossel entsprechen, leitet das Leerlaufluft-Umleitungsventil 60 eine geringe Menge an Gas – Strom F₄ – über Leerlaufluft-Umleitungskanäle 59 und 61 um die geschlossene Drosselklappe 19. Das Leerlaufluft-Umleitungsventil kann ein herkömmliches Zapfenventil oder können gut bekannte andere Anordnungen sein. Die Leerlaufluft-Steuerungsleitung 81 von dem PCM 93 steuert die Stellung des Leerlaufluft-Steuerventils 60.
Ein Teil des Abgases kann aus dem Abgassammelrohr 29 durch den EGR-Kanal 43, das EGR-Ventil 41 und den Kanal 45 heraus gesaugt und in das Ansaugrohr 23 hinein gesaugt werden – Strom F₈ – in Übereinstimmung mit gut bekannten Emissionszielen. Die EGR-Steuerleitung 83 bestimmt die Stellung des EGR-Ventils 41, das die Form eines herkömmlichen linear betätigten Ventils haben kann. Die Stellung des EGR-Ventils und somit die ventilwirksame Geometrie, wird wie z. B. durch einen herkömmlichen Stellungsumwandler, beispielsweise einen Regelwiderstand, angezeigt.
Während der Benutzung des Betriebsbremspedals (nicht gezeigt) kann ein geringer Gasstrom durch den Bremskraftvestärkerkanal 47 in das Ansaugrohr 23 hinein aufgebaut werden – Strom F₁₆ – wie es im Stand der Technik gut bekannt ist.
Fahrzeuge, die mit gut bekannten Steuerungen der Kraftstoffverdunstung ausgerüstet sind, können auch einen Gasstrom durch ein Aktivkohlebehälter-Spülventil (CVP) 53 und CVP-Kanäle 55 und 57 – Strom F₁₀ – in den Drosselkörper 17 unterstromig von der Drosselklappe 19 aufweisen, wie allgemein veranschaulicht, aber der tatsächliche und wirksame Strom erfolgt in das Ansaugrohr 23, Knoten N3 hinein. Der Aktivkohlebehälter 65 gibt im Allgemeinen Kraftstoffdämpfe ab – Strom F₁₄ –, während Frischluft – Strom F₁₃ – durch die Spülentlüftung 67 und die Spülentlüftungskanäle 69 und 71 gesaugt wird. Der Kraftstofftank 75 kann ebenfalls Kraftstoffdämpfe bereitstellen – Strom F₁₅ – die in dem Behälter 65 aufgenommen werden oder von dem Motor verbraucht werden können. Der Kraftstofftank 75 ist auch mit einer Entweichöffnung 76 veranschaulicht, durch die Frischluft – Strom F₁₁ – eintreten kann. Der Gasstrom von dem Kraftstofftank – Strom F₁₂ – erfolgt durch ein herkömmliches Überschlag-Sicherheitsventil 92 durch den Tankdampf-Rückgewinnungskanal 73.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind verschiedene relativ wesentliche volumetrische Bereiche des Verbrennungsmotorsystems als pneumatische Volumenknoten bezeichnet, an denen entsprechende pneumatische Zustände angestrebterweise abgeschätzt werden. Die pneumatischen Zustände werden verwendet, um Gasmassenströme zu bestimmen, die von besonderem Interesse für die Steuerfunktionen eines Verbrennungsmotors sind. Zum Beispiel ist es insbesondere an dem Punkt der Kraftstoffzufuhr erwünscht, den Luftmassenstrom durch das Ansaugsystem zu kennen, um entsprechende Kraftstoffzufuhrbefehle durch gut bekannte Kraftstoffzufuhrsteuerungen zu entwickeln.
Wie beschrieben ist der Verbrennungsmotor in eine Vielfalt miteinander verbundener Elemente aufgegliedert. Diese Elemente und Verbindungen stellen durch das pneumatische Zustandsmodell der vorliegenden Erfindung, das in Übereinstimmung mit Abschätzungen komprimierbarer Gasströme arbeitet, die Basis für die pneumatischen Zustandsbestimmungen bereit. Jedes von den verschiedenen Elementen besitzt eindeutige pneumatische Eigenschaften und jedes ist aus Gründen der vorliegenden Erfindung in eine von drei vordefinierten Kategorien klassifiziert: pneumatischer Widerstand, pneumatische Kapazität und pneumatische Stromquelle.
Pneumatische Widerstandselemente sind im Allgemeinen durch eine nichtlineare Beziehung zwischen dem Massenstrom/Druck-Verhältnis von oberstromigen und unterstromigen Gasdrücken gekennzeichnet. In der einfachsten Form umfasst ein beispielhaftes pneumatisches Widerstandselement eines Verbrennungsmotors ein einfaches Rohr oder eine Öffnung mit einer fixen Drosselungsgeometrie, wie z. B. das Abgassystem von dem Auslasskanal 35 zu dem Auspuffendrohr 39 in 1. Ein etwas komplizierteres pneumatisches Widerstandselement umfasst Ventile von variierbarer Geometrie, wie z. B: eine Drossel oder ein EGR-Ventil. In der Praxis muss die Geometrie solcher variierbarer Ventile durch bekannte Beziehungen zwischen einem an einem zugehörigen Aktuator aufgebrachten Steuersignal oder durch einen herkömmlichen Umwandler, der eine absolute Stellung des Ventils anzeigt, angenähert werden. Noch eine weitere Form eines pneumatischen Widerstandselementes umfasst ein Druckreglerventil wie z. B. eine herkömmliche Kurbelgehäuseentlüftungs(PVC)-Ventil.
Pneumatische Kapazitätselemente sind im Allgemeinen durch relative wesentliche fixe Volumina gekennzeichnet, die eine Massenspeicherkapazität für komprimierbares Gas, das in das Element strömt, erzielen. Ein beispielhaftes pneumatisches Kapazitätselement eines Verbrennungsmotors umfasst ein fixes Volumen, wie z. B. das Ansaugrohr 23 in 1.
Pneumatische Stromquellenelemente sind im Allgemeinen durch eine mechanische Vorrichtung gekennzeichnet, die auf eine eingetragene Kraft anspricht, die wirksam ist, um Gas durch diese zu pumpen. Ein beispielhaftes pneumatisches Stromquellenelement umfasst den Verbrennungszylinder 30 in 1, der einzeln oder in Verbindung mit einer Reihe von zusätzlichen ähnlichen Zylindern wirksam ist, um Gas anzusaugen und auszustoßen, um einen Gasstrom durch das Verbrennungsmotorsystem zu zwingen. Selbstverständlich wird die eingetragene Kraft durch zyklisch verbrannte Kraftstoffladungen bereitgestellt, die angesaugtes Gas und Kraftstoff, wie z. B. von einem Kraftstoffinjektor 36, der auf ein Kraftstoffzufuhrsignal an der Leitung 87 anspricht, umfassen, und in Übereinstimmung mit einem Funken von der Zündkerze 32 verbrannt werden. 2 und 3 veranschaulichen weitere beispielhafte pneumatische Stromquellenelemente, jeweils als Teil der Ansaugung und des Auslasses. Ziffern, die zwischen den 1–3 wiederholt sind, entsprechen gleichen Merkmalen, die, wenn sie einmal beschrieben worden sind, hierin nicht wiederholt werden. 2 stellt eine beliebige Auswahl aus Lader und Turbolader, mit 24 bezeichnet, dar, die in ihrer Funktion in dem Sinn gleichwertig sind, dass eine eingetragene Kraft im Allgemeinen ein Verdichterrad antreiben, um Gas von dem unterstromigen Ende des Drosselkörpers 17 in das Ansaugrohr 23 zu pumpen. Im Stand der Technik versteht man einen Lader im Allgemeinen mit einer Antriebskraft, die mit dem Motorausgang mechanisch gekoppelt ist, z. B. durch eine zusätzliche Antriebsanordnung, während ein Turbolader im Stand der Technik im Allgemeinen mit einer Antriebskraft verstanden wird, die aus Systemabgasen besteht, die in einer Drehverbindung mit dem Pumpenkreisel mit einer Turbine gekoppelt sind. 3 stellt im Allgemeinen eine Sekundärluft- (AIR)-Pumpe 38 dar, die wirksam ist, um für gut bekannte katalytische Emissionsziele Gas aus der Umgebung in das Abgassammelrohr 29 zu zwingen. Die AIR-Pumpe 38 weist, wie veranschaulicht, vorzugsweise einen zwingenden Eintrag mit einer elektrischen Motordrehzahl auf, die auf eine über die Leitung 89 angelegte Spannung anspricht.
Der Gasmassenstrom durch pneumatische Widerstandselemente wird bei der vorliegenden Erfindung im Allgemeinen in Übereinstimmung mit komprimierbaren Strömungsfunktionen für ein ideales Gas durch eine Drosselung modelliert. Insbesondere kann ein Standard-Gasmassenstrom (M . _Std) durch ein pneumatisches Widerstandselement mit fixer Geometrie als eine Funktion der pneumatischen Parameter unterstromiger Druck (P_d) und oberstromiger Druck (P_u) wie folgt ausgedrückt werden:
Dichte-Korrekturfaktoren als entsprechende Funktionen der pneumatischen Parameter oberstromiger Druck (P_u) und oberstromige Temperatur (T_u) auf den Standard-Gasmassenstrom angewendet sorgen für eine Abschätzung des Gasmassenstromes durch ein pneumatisches Widerstandselement mit fixer Geometrie. Der Gasmassenstrom (M .) durch ein pneumatisches Widerstandselement mit fixer Geometrie kann allgemein wie folgt ausgedrückt werden:
Der Gasmassenstrom durch ein Ventil mit variierbarer Geometrie (z. B. eine Drosselklappe oder ein EGR-Ventil) führt einen Freiheitsgrad in Bezug auf die Drosselungsgeometrie ein. Der Gasmassenstrom als solches hierdurch kann bei der vorliegenden Erfindung in Übereinstimmung mit komprimierbaren Strömungsfunktionen für ein ideales Gas auf der Grundlage der vorstehend erwähnten pneumatischen Parameter und ferner als eine Funktion eines geometrischen pneumatischen Parameters der Ventilgeometrie (θ) ähnlich modelliert werden. In einem solchen Fall kann der Gasmassenstrom (M .) durch ein pneumatisches Widerstandselement mit variabler Geometrie im Allgemeinen wie folgt ausgedrückt werden:
Komprimierbare Strömungsfunktionen, die Standard-Gasmassenströme (M . _Std) durch Druckreglerventile, z. B. ein herkömmliches Kurbelgehäusentlüftungs(PCV)-Ventil, modellieren, können als eine Funktion der pneumatischen Parameter unterstromiger Druck (P_d) und oberstromiger Druck (P_u) wie folgt ausgedrückt werden:
Ein Dichte-Korrekturfaktor als eine Funktion des pneumatischen Parameters oberstromige Temperatur T_u angewendet auf den Standard-Gas massenstrom führt zu einem Gasmassenstrom durch ein Druckreglerventil wie folgt:
Transiente Wirkungen von in einem wesentlichen Volumen (d. h., ein pneumatisches Kapazitätselement), z. B. einem Ansaugrohr, gespeicherter Gasmasse werden bei der vorliegenden Erfindung im Allgemeinen in Übereinstimmung mit der Netto-Gasmasse in dem fixen Volumen solcher pneumatischer Kapazitätselemente modelliert. Zu jedem gegebenen Augenblick kann die in dem interessierenden Kapazitätselement enthaltene endliche Masse (M . _net) in Form des gut bekannten idealen Gasgesetzes
ausgedrückt werden, wobei P der durchschnittliche Druck in dem Volumen ist, V das Volumen des pneumatischen Kapazitätselementes ist, R die allgemeine Gaskonstante für Luft ist, und T die durchschnittliche Temperatur des Gases in dem Volumen ist. Die Ableitung von Gleichung (6) führt zu der Beziehung zwischen dem Gasmassenstrom ( M . _net) und der Druckänderungsrate (P .) wie folgt:
wobei die Druckänderungsrate in einem Volumen mit dem Netto-Massenstrom in das Volumen über einen Kapazitätsfaktor RT/V in Beziehung steht, oder in anderer Weise über einen Dämpfungsfaktor, der eine volumetrische Funktion des pneumatischen Kapazitätselementes ist. Eine in dem Term P × T ./T enthaltene Sekundärwirkung beträgt im Allgemeinen weniger als ca. zehn Prozent der Druckänderungsrate und wird in den beispielhaften Ausführungsformen vernachlässigt; jedoch kann der Term der Sekundärwirkung in der Praxis in jede beliebige Reduktion zur Steuerung der Implementierung eingeschlossen sein. Daher weist das Ansaugrohr, beispielsweise mit einer Vielzahl an diesem angeschlossenen Gasmassenströmen, wie modelliert, einen Netto-Gasmassenstrom in sein oder aus seinem Volumen hinaus auf, der im Wesentlichen aus der Summierung der einzelnen Gasmassenströme gebildet ist. Die Anwendung des Dämpfungsfaktors auf die pneumatischen Kapazitätselemente führt zu einer Druckänderungsrate in dem Volumen, die integriert werden kann, um zum Druck zu gelangen.
Pumpeffekte einer Stromquelle auf einen Ansauggasmassenstrom, z. B. auf Grund des Motors, die den Gasmassenstrom an den Motoransaugkanälen beeinflussen, können durch die gut bekannte Geschwindigkeitsdichtegleichung, ausgedrückt als:
angenähert werden, wobei M . _{int ake} der Gasmassenstrom an den Ansaugkanälen des Motors ist, P_m der Ansaugrohr-Druck ist, T_m die Ansaugrohr-Gastemperatur ist, V_d der gesamte Motorhubraum ist, N_e die Motordrehzahl in U/min ist, η_v die auf das Ansaugrohr bezogene volumetrische Wirkung für statisch ideale Effekte ist, und R die Gaskonstante des Gasgemisches an den Ansaugkanälen ist. Die volumetrische Wirkung wird bekanntermaßen vernünftigerweise als eine Funktion des Ansaugkanalgas /Luft-Molekulargewichtsverhältnisses, des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses, des Kompressionsverhältnisses, des spezifischen Wärmeverhältnisses und des Abgasdruck/Ansaugdruck-Verhältnisses ausgedrückt. Die vorliegende Erfindung setzt voraus, dass das Luft/Kraftstoff-Verhältnis von den Einstellungen, unter denen die Motoratmung normalerweise kalibriert wird, nicht signifikant abweicht. Tatsächlich können Schwankungen des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses von etwa 10 bis etwa 20 die volumetrische Wirkung nur zu ca. 4 % beeinflussen. Des Weiteren ändert sich das Molekulargewicht des Ansaugkanal-Gases nicht signifikant um eine vorhandene Basiskalibrierung. Somit nähert die vorliegende Erfindung die volumetrische Wirkung wie folgt:
wobei A und B Funktionen des Kompressionsverhältnisses und des spezifischen Wärmeverhältnisses sind und P_e der Abgasrohr-Druck ist. Da die mit der Geschwindigkeit und Einstellung des Kolbens in Beziehung stehenden dynamischen Wirkungen im Allgemeinen signifikant sind, werden die bei konstanten Drehzahlbedingungen hergeleiteten unabhängigen Variablen A und B alternativ als eine Funktion der Motordrehzahl oder N_e wie folgt ausgedrückt:
Die Substitution der Gleichungen (9) bis (11) in die Gleichung (8) führt zu einem vereinfachten Ausdruck für den Gasmassenstrom an den Ansaugkanälen des Motors:
Der Gasmassenstrom an den Ansaugkanälen des Motors bei Druck- und Temperatur-Standardbedingungen führt zu der Gleichung
die sehr einfach zu einer Standard-Gasmassenstromvariablen und Druck- und Temperaturdichte-Korrekturvariablen in der Gleichung:
reduziert wird.
Ein besonderer Fall für Ansaugsysteme mit einer variierbaren Ventilsteuerung umfasst ferner eine zusätzliche Dimensionsvariable, die der Steuerung entspricht und in der Standard-Massenstromvariablen wie folgt zusammengeführt werden kann:
Der zugehörige Gasmassenstrom, im Allgemeinen als durchblasendes Gas bezeichnet, gekennzeichnet durch einen Leckstrom durch Zwischenräume in den Kolbenringen und andere Leckpfade in das Motorkurbelgehäuse während der Verbrennung, ist in der vorliegenden Erfindung im Allgemeinen wie folgt ausgedrückt:
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist zumindest eine Stelle in dem Verbrennungsmotorsystem als ein pneumatischer Volumenknoten bestimmt. Eine Vielfalt von Gasmassenstromanschlüssen kann der vorbestimmten Stelle zugehörig sein. Zum Beispiel kann unter Bezugnahme auf 1 das Ansaugrohr 23 beliebig gewählt sein. Eine Vielfalt von Gassmassenströmen als solche, veranschaulicht als entsprechend gekennzeichnete fett gedruckte Pfeile, ist in das Ansaugrohr 23 eintretend und dieses verlassend dargestellt. Der Strom F₃ von dem Drosselkörper 17 und der Strom F₉ von dem Kurbelgehäuse treten, ebenso wie der Strom F₄ von dem Leerlaufluft-Umleitungsventil 60 und der Strom F₁₀ von den CVP-Kanälen 55, 57 und dem CVP-Ventil 53, durch den Ansaugkanal 21 ein. Der Strom F₁₆ sorgt für einen Strom von dem Bremskraftverstärker (nicht gezeigt), und der Strom F₈ mit rückgeführtem Abgas wird von dem Abgassammelrohr 29 durch das EGR-Ventil 41 steuerbar eingeleitet. Der Strom F₅ heraus aus dem Ansaugrohr 23 gehört selbstverständlich zu einem Ansaugkrümmer 25 und kann bis zu einem gewissen Grad durch das Ansaugventil und den Nocken 26 in Übereinstimmung mit der Nockensteuerung oder dem Nockenverstellungssignal an der Leitung 91 gesteuert werden. Die Nockensteuerung kann durch eine beliebige aus einer Vielfalt von gut bekannten Verstell-Vorrichtungen, umfassend z. B. elektrohydraulisch betätigte Nocken-Versteller, gesteuert sein. Einige beispielhafte Nocken-Versteller sind in den US-Patenten Nr. 5 033 327, 5 119 691 und 5 163 872 sowie in der US-Patentanmeldung Nr. 08/353 776, alle dem Antragsteller der vorliegenden Erfindung erteilt, zu finden. Zusätzlich kann die Nockensteuerung durch eine direkte hydraulische Ventilbetätigung bei so genannten "nockenlosen" Anwendungen erfolgen. Vorteilhafterweise können hydraulisch betätigte Ventile insofern mit zusätzlicher Freiheit gesteuert werden, als die Öffnungs- und Schließzeiten sowie der Ventilhub unabhängig in Übereinstimmung mit den angestrebten Zielen eingestellt werden können.
Unter erneuten Bezug auf die vorstehende Gleichung (7) kann die Druckänderungsrate innerhalb des Ansaugrohres 23 im Wesentlichen von dem Netto-Massenstrom in das Ansaugrohr hinein und einem Kapazitäts- oder Dämpfungsfaktor, der eine volumetrische Funktion des Ansaugrohres 23 ist, abgeleitet werden. Die Ansaugrohr-Druckänderungsrate wird daher als die Summe der einzelnen Gasmassenströme 'F_n', gedämpft durch einen volumetrischen Faktor, wie folgt ausgedrückt:
Erinnert man sich ferner daran, dass die Gasmassenströme durch die verschiedenen pneumatischen Widerstandselemente gemäß der vorliegenden Erfindung im Allgemeinen als eine Funktion aus verschiedenen pneumatischen Parametern, die den unterstromigen Druck (P_d) und den oberstromigen Druck (P_u), die Strömungsgeometrie und die oberstromigen Temperaturen T_u, umfassen, ausgedrückt sind, werden die verschiedenen Gasmassenströme von Gleichung (17) wie folgt erweitert:
Die Gleichung (18) ist eine knotenspezifische Form einer allgemeinen Form von einer pneumatischen Zustandsgleichung für im Wesentlichen jeden beliebigen Bereich von besonderem Interesse in einem Verbrennungsmotorsystem. In der beispielhaften Gleichung (18) sind die Ströme durch die Widerstandselemente mit variierbarer Geometrie (z. B. F₃ durch den Drosselkörper 17 über die variierbare Drosselklappe 19) und das Quellenelement (z. B. F₅ durch den Ansaugkrümmer 25) alle vertreten. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Vielzahl von pneumatischen Volumenknoten bestimmt, von denen ein jeder einen diesem zugehörigen ähnlichen Satz von vorbestimmten Beziehungen aus entsprechenden Sätzen von pneumatischen Parametern aus der Gruppe: pneumatische oberstromige und unterstromige Drücke, Temperatur, Elementgeometrien und zwingende Einträge aufweist. Bei einer beispielhaften Ausführungsform, wie unter Bezugnahme auf 1 veranschaulicht, umfassen die als pneumatische Volumenknoten bezeichneten Bereiche des Systems die mit N2 bis N7 bezeichneten. Die entsprechenden Druckänderungsraten, die einem jeden so bezeichneten Knoten zugehörig sind, lauten wie folgt:
Es ist anzumerken, dass, während einige von den verschiedenen Strömen als Beziehungen von pneumatischen Parametern (z. B. Drücke, Temperaturen, Geometrien und zwingende Einträge) ausgedrückt werden können, weitere von den Strömen angenähert und als Konstanten eingebracht oder als Störströme verworfen werden können. Die Ströme von dem Kraftstofftankdampf F₁₅ und der Bremskraftverstärkerstrom F₁₆ sind bei der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform zwei derartige Ströme.
Die Gleichungen (18) bis (23) stellen eine Beschreibung für das System als eine Reihe von gekoppelten Gleichungen bereit und stellen zusammen im Allgemeinen eine Ausführungsform eines pneumatischen Zustandsmodells eines Verbrennungsmotorsystems dar.
Eine weitere Reduktion des Gleichungssatzes und der von dem Modell gelieferten Druckänderungsraten kann jedoch von Vorteil sein. Zum Beispiel hat sich bei der vorliegenden Ausführung gezeigt, dass die Strömungsdynamik aus der Kombination aus Frischluftansaugung 11, Luftfilter 13, Ansaugkanal 15, Drosselkörper 17 und Leerlaufluft-Umleitungs-Leitungs-system bei gewissen Motorsystemen relativ gut gedämpft oder stabil ist. Zusätzlich kann der PCV-Frischluftstrom F₂ durch den Kanal 63 im Allgemeinen bei den meisten Nicht-Leerlaufzuständen als unwesentlich ignoriert werden und im Leerlauf auf eine kleine Konstante gesetzt werden. Wenn dies der Fall ist, können die Gleichungen durch Eliminierung von Gleichung (19), Berechnung der Druckänderungsrate an dem Knoten N2, vereinfacht werden, da die Stabilität der Kombination ausreichend ist, um solche Näherungen durchführen zu können, dass die Druckänderungsrate an dem Knoten N2 im Wesentlichen Null beträgt. Bei einer Reduktion wie beschrieben können weitere von den Gleichungen eine Abänderung benötigen, um die Eliminierung der Druckänderungsrate des Knotens N2 und daher des Druckes, und einen angenommenen nicht bestehenden Frischluftstrom F₂ bei Nicht-Leerlaufbedingungen zu berücksichtigen. In anderen Worten, die weiteren direkt mit dem in der vorstehenden Gleichung (19) beispielhaft gezeigten Druckknoten N2 verknüpften Gleichungen werden wie folgt abgewandelt. Die Stromterme f3(P_N2, P_N3, T_N2, θ_tp) und f4(P_N2, P_N3, T_N2, θ_iac) in Gleichung (18) stehen mit dem Druck in dem Knoten N2 nicht mehr in direkter Beziehung, sondern stehen stattdessen mit dem Umgebungsdruck an dem Knoten N1 in Beziehung, unter geeigneter Berücksichtigung der pneumatischen Widerstandseigenschaften, vorwiegend des Luftfilters 13, und in einem geringeren Ausmaß die der Luftansaugung 11 und des Ansaugkanals 17. Solche Stromterme werden deshalb im Hinblick auf den Umgebungsdruck an dem Knoten N1 als f3(P_N1, P_N3, T_N2, θ_tp) und f₄(P_N1, P_N3, T_N2, θ_iac) neu ausgedrückt. In jedem Fall diktiert das Vorhandensein der Ströme F₃ und F₄ sowohl im Hinblick auf die Größe des Massenstromes wie auch darauf, wie kritisch die Steuerung der Kraftstoffzufuhr ist, die Genauigkeit über den gesamten Betriebsbereich des Motors, vom Leerlauf bis zur weit geöffneten Drossel, und umfasst transiente Betriebsbedingungen. Während dem gleichen allgemeinen Ansatz gefolgt werden kann, um den Frischluftterm f₂(P_N2, P_N4, T_N2) aus Gleichung (20) mit dem Umgebungsdruck an dem Knoten N1 in Beziehung zu setzen, besteht ein bevorzugter Ansatz im Licht des Nichtvorhandenseins des Stromes Fa bei Nicht-Leerlaufbedingungen darin, einen solchen Strom als eine Konstante zu behandeln, die für eine nicht vorhandene Wirkung bei Nicht-Leerlaufbedingungen sorgt. Solche Abwandlungen würden deshalb so in den Gleichungen (18) und (20) wiedergegeben werden.
In der Praxis wird das durch die vorstehenden Gleichungen 18–23 beschriebene Modell Fehler aufweisen, die hauptsächlich mit den Mangelhaftigkeiten der Strömungsfunktionskalibrierungen, Teilevariabilität, Leckagen, Hardwareänderungen während des Betriebs und Änderungen des Luftdruckes, wie im Eingang P_N1 manifestiert, in Zusammenhang stehen.
Fehler im Zusammenhang mit den Mangelhaftigkeiten des Modells und nicht bekannten Luftdrücken werden vorzugsweise über einen herkömmlichen Leunberger Beobachter bzw. eine Luftdruckabschätzvorrichtung korrigiert.
Die Mangelhaftigkeiten des Modells werden durch Verwendung eines Feedbacks von den Messungen kompensiert, um das Modell zu korrigie ren. Bei einer Ausführungsform wird die Druckmessung des MAP-Sensors verwendet, um das Modell zu korrigieren. Ein Standard-Leunberger Beobachter wird gebildet, indem die Feedback-Ausdrücke aus der MAP-Messung den Gleichungen 18–23 hinzugefügt werden, um das Modell zu korrigieren, wie in den unten stehenden Gleichungen 24–29 dargestellt.
Die Leunberger Beobachter-Form stellt ein MAP-Feedback an die Kraft P _N3 bereit, um die gemessenen stationären MAP-Zustände P_N3 anzupassen, bewirkt aber, dass die Modellzustände (mit Querbalken markiert) während der Ausgleichszustände den Ist-Zuständen vorauseilen. Das Vorauseilen kann mittels der Leunberger-Verstärkungen L ausgeglichen werden. Für die Feedback-Korrektur kann jede beliebige Messung verwendet werden, MAP ist jedoch besonders vorteilhaft, da der Ausgang der Motoransaugströmungsfunktion f₅ von höchster Wichtigkeit für die AFR-Steuerung ist und von einem guten MAP-Wert P_N3 abhängig ist. Das vor stehende Leunberger Beobachter-Schema wurde ausgewählt, um den Fehler f₅ bei einem stationären Zustand zu minimieren und die Fehlerkorrektur gemäß den Leunberger Verstärkungen L über den Rest des Modells zu verteilen.
Da die Einbeziehung eines Luftdrucksensors wie angestrebt vermieden wird, muss der Eingang des Luftdruckes P_N1 in das Modell in der Praxis abgeschätzt werden. Dies wird dadurch erreicht, dass die folgende Gleichung zu einem Minimum gebracht wird, indem der Eingang P _N1 (der abgeschätzte Luftdruck) wie folgt an den Leunberger Beobachter angepasst wird:
Das Vorstehende setzt voraus, dass bei der Durchführung der Knoten N2 mit dem Knoten N1 zusammengeführt wird (wie vorstehend erläutert), was den gleichwertigen Drossel- und IAC-Strom zu einer direkten Funktion von P _N1 macht.
Das Minimieren des vorstehenden Ausdrucks über die Anpassung zu P _N1 bedeutet einfach, dass der Frischluftstrom in den Motor mit dem Frischluftstrom durch das IAC-Ventil und die Drosselklappe ausgeglichen sein muss (Masseerhaltung). Der vorstehende Ausdruck ist nur für stationäre Zustände gültig, daher werden Iterationen an P _N1 nur dort durchgeführt, wo
sehr klein ist. Die Masseerhaltung war in den Modellgleichungen 18–23 inhärent, selbst beim Vorhandensein von Modellmangelhaftigkeiten und Fehlern beim Eingang des Luftdruckes, aber der Akt des Einschränkens des modellierten MAP P _N3 auf den gemessenen MAP erschüt tert die "Modell-Massebilanz", bei der vorausgesetzt wird, dass sie wegen des Fehlers P _N1 vollständig entfernt ist. Aus diesem Grund wurde die vorstehende stationäre Einschränkung der Masseerhaltung auf die Leunberger Beobachter-Gleichungen angewendet.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf die 6–8 veranschaulichen Signalflussdiagramme einen Signalflussvorgang gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 6 ist besonders illustrativ für eine Gasmassenstromabschätzung durch ein pneumatisches Widerstandselement mit variierbarer Geometrie, wie vorstehend beschrieben. Vorbestimmte Eingangssignale umfassen die Temperatur T_u oberstromig von dem Element, den Druck P_u oberstromig von dem Element, den Druck P_d unterstromig von dem Element, und einen Eingang, der die Geometrie θ der Drosselung des Elementes darstellt. Die oberstromige Temperatur wird an den Block 601 angelegt, wo ein Temperaturdichte-Korrekturfaktor aus einer Liste von solchen Dichte-Korrekturfaktoren, die Standard-Temperaturbedingungen mit oberstromigen Temperaturen in Beziehung setzen, bestimmt wird. In gleicher Weise wird der oberstromige Druck an den Block 603 angelegt, der einen Druckdichte-Korrekturfaktor zurück gibt, der Standard-Druckbedingungen mit oberstromigen Drücken in Beziehung setzt. Diese beiden Dichte-Korrekturfaktoren werden dann bei Block 602 multipliziert, um einen Gesamtdichte-Korrekturfaktor zu erhalten. Auch wird der oberstromige Druck zusammen mit dem unterstromigen Druck an den Block 604 angelegt, der ein Verhältnis zwischen den beiden Drücken zurückgibt. Als Nächstes wird das Druckverhältnis auf eine Standard-Gasmassenstromtabelle angewendet, um den Standard-Gasmassenstrom durch das Element nachzuschlagen. Der Standard-Gasmassenstrom und der Gesamtdichte-Korrekturfaktor wer den bei Block 606 multipliziert, um den Gasmassenstrom durch das Element zu bestimmen.
Die Standard-Gasmassenstromtabelle wird vorzugsweise für jedes Element durch ein herkömmliches Vergleichskalibrierungsverfahren, das die beschwerlichen Fahrzeugkalibrierungen erleichtert, entwickelt. Solch ein Kalibrierungsverfahren umfasst im Allgemeinen fortlaufend verschachtelte inkrementelle Angleichungen an die verschiedenen Beträge, sowie das Überwachen und Aufzeichnen des Ansprechens des Elementes auf den Gasmassenstromausgang. Das Kalibrierungsverfahren wird bei Standardbedingungen durchgeführt oder für Standardbedingungen korrigiert. Dann wird aus den gesammelten Ansprechdaten eine Nachschlagtabelle erstellt. Bei der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform umfasst die Standard-Gasmassenstromnachschlagtabelle einen dreidimensionalen Datensatz mit das Druckverhältnis und die Geometrie der Drosselung umfassenden unabhängigen Variablen. Wie vorstehend erwähnt, kann die Geometrie der Drosselung durch das hierauf angelegte Steuersignal wie z. B. ein impulsbreitenmoduliertes Ventil dargestellt sein, oder sie kann durch ein umgewandeltes Signal dargestellt sein, wie im Falle eines Potenziometers, das ein Drosselstellungssignal liefert. Im Fall eines Widerstandselementes mit fixer Geometrie kann die Standard-Gasmassenstromnachschlagtabelle als nur zweidimensional erstellt sein, mit dem Druckverhältnis als unabhängige Variable und dem Standard-Gasmassenstrom als abhängige Variable. In ähnlicher Weise umfassen druckregelnde Widerstandselemente eine dreidimensionale Nachschlagtabelle, in der die oberstromigen und unterstromigen Drücke erste und zweite unabhängige Variablen umfassen, und mit dem Standard-Gasmassenstrom als abhängige Variable. In letzterem Fall sind die Druckdichte-Korrekturfaktoren ungeeignet, und deshalb werden keine solchen erzeugt oder angewendet.
In der beispielhaften Situation, in der gewisse pneumatische Volumenknoten und Stromverzweigungen kombiniert oder zusammengeführt werden können, um so die Komplexität des Modells zu verringern, und wie insbesondere im Hinblick auf das Ansaugsystem der vorliegenden Erfindung beschrieben, bei der die Ströme F₃ und F₄ mit dem Druck an dem Knoten N1 in Beziehung stehen, wie vorstehend dargelegt, ist das Kalibrierungsverfahren im Wesentlich gleich, abgesehen von der Tatsache, dass das verwendete "Element" in Wirklichkeit die kombinierten oder zusammengefügten Elemente sind, wie beschrieben. Daher enthalten die Standard-Gasmassenstromnachschlagtabellen für die Ströme F₄ und F₃ die Eigenschaften des Luftfilters 13, der Luftansaugung 11 und des Ansaugkanals 17, zusätzlich zu den entsprechenden Eigenschaften des IAC-Ventils und der Drosselklappe. Solch ein Zusammenfügen von Elementen kann in Tabellenkombinationen einzelner Elemente durch eine analytische Kombination wiedergegeben werden, die keine Ist-Element-Kombinationen und Vergleichskalibrierung erfordern.
Jedes Element in dem System würde einen entsprechend gleichen Signalfluss und daraus entwickelten resultierenden Gasmassenstrom aufweisen.
7 ist besonders illustrativ für eine erzwungene Gasmassendurchstromabschätzung durch ein pneumatisches Stromquellenelement, wie vorstehend beschrieben. Noch spezieller entspricht der veranschaulichte Signalfluss den Zylindern des Motors. Vorbestimmte Eingangssignale umfassen die Temperatur oberstromig von dem Element oder die Ansaugrohr-Temperatur T_m, den Druck oberstromig von dem Element oder den Ansaugrohr-Druck P_m, den Druck unterstromig von dem Element oder den Abgasrohr-Druck P_e, die Motordrehzahl N_e, sowie einen Eingang, der die Abweichung von dem Nockenverstellungswinkel von einem Standard- Winkel θ darstellt. Die Ansaugrohr-Temperatur wird an den Block 701 angelegt, wo ein Temperaturdichte-Korrekturfaktor aus einer Liste solcher Dichte-Korrekturfaktoren bestimmt wird, die Standard-Temperaturzustände mit Ansaugrohr-Temperaturen in Beziehung setzt. In gleicher Weise wird der Ansaugrohr-Druck an den Block 703 angelegt, der einen Druckdichte-Korrekturfaktor, der Standard-Druckzustände mit Ansaugrohr-Drücken in Beziehung setzt, zurückgibt. Diese beiden Dichte-Korrekturfaktoren werden dann bei Block 702 multipliziert, was einen Gesamtdichte-Korrekturfaktor ergibt. Der Ansaugrohr-Druck wird auch zusammen mit dem Abgasammelrohr-Druck an den Block 704 angelegt, der ein Verhältnis zwischen den zwei Drücken zurückgibt.
Die Blöcke 705–710 stellen einen Standard-Gasmassenstrom wie folgt bereit. Die Blöcke 705, 707 und 709 stellen entsprechende Koeffizienten eines Ausdrucks zweiter Ordnung eines Gasmassenstromes als eine Funktion des Druckverhältnisses, der Motordrehzahl und der Abweichung des Nockenverstellwinkels von einem Standard-Winkel bereit. Die allgemeine Form des Ausdrucks zweiter Ordnung gemäß der vorliegenden Erfindung lautet wie folgt:
wobei A₀, A₁ und A₂ entsprechende Funktionen von Druckverhältnis und Motordrehzahl sind. Jeder entsprechende Block 705, 707 und 709, ist durch eine entsprechende dreidimensionale Tabelle mit entsprechenden unabhängigen Variablen, die das Druckverhältnis und die Motordrehzahl umfassen, und mit entsprechenden abhängigen Variablen, die den entsprechenden Koeffizienten umfassen, dargestellt. Nachdem die Koeffizienten bestimmt sind, werden die Koeffizienten erster und zweiter Ordnung mit dem Nockenverstellwinkelsignal θ_cam bzw. dem Nockenverstellwinkelsignal θ² _cam multipliziert. Die resultierenden entsprechenden Signale werden an dem Summierungsknoten 710 summiert, der den Standard-Gasmassenstrom aus dem Motor bereitstellt. Der Standard-Gasmassenstrom und der Gesamtdichte-Korrekturfaktor werden bei Block 712 multipliziert, um den Gasmassenstrom in den Motor zu bestimmen. Diese Gleichungsform zweiter Ordnung ist eine Annäherung an die Kosinuskurven-Beziehung zwischen der Kolbenposition am unteren Totpunkt und einem Ansaugventil-Öffnungsereignis.
Vorteilhafterweise werden die Standard-Massenstromtabellen für jedes Stromquellenelement durch ein herkömmliches Vergleichskalibrierungsverfahren entwickelt, das die beschwerlichen Fahrzeugkalibrierungen erleichtert. Solch ein Kalibrierungsverfahren umfasst im Allgemeinen fortlaufend verschachtelte inkrementelle Angleichungen an die verschiedenen Beträge, sowie das Überwachen und Aufzeichnen des Ansprechens auf den Einlassgasmassenstrom und den Abgassammelrohr-Druck. Das Kalibrierungsverfahren wird bei Standardbedingungen durchgeführt oder analytisch auf Standardbedingungen korrigiert. Dann wird aus den gesammelten Ansprechdaten eine Nachschlagtabelle erstellt. Bei der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform umfasst die Standard-Gasmassenstromnachschlagtabelle einen dreidimensionalen Datensatz mit das Druckverhältnis und die Stromquellenpumengeschwindigkeit umfassenden unabhängigen Variablen. Wie vorstehend erwähnt, kann der Nockenverstellwinkel durch das an den Nockenwellenverstellmechanismus angelegte Steuersignal oder durch ein Steuerpositions-Feedbacksignal von der Verstellung dargestellt sein. Im Fall eines Nockens mit fixer Verstellung kann der Standard-Gasmassenstrom von einer dreidemsionalen Tabelle abgeleitet werden, die mit dem Druckverhältnis und der Mo tordrehzahl als unabhängige Variablen und dem Standard-Gasmassenstrom in den Motor hinein als abhängige Variable erstellt ist.
Jedes Stromquellenelement in dem System würde einen entsprechenden gleichen Signalfluss und daraus entwickelten resultierenden Gasmassenstrom aufweisen.
8 ist besonders illustrativ für ein pneumatisches Zustandknotenmodell der Druckänderungsrate und den Druck für ein bestimmtes Kapazitätselement wie vorstehend beschrieben. Vorbestimmte Eingangssignale umfassen Gasmassenströme an den Elementanschlüssen und einen volumetrischen Dämpfungsfaktor, der speziell dem bestimmten Knoten entspricht. Vorbestimmte Gasmassenströme gehen in den Summierungsknoten 802 ein, um einen Netto-Gasmassenstrom an dem zu dem pneumatischen Kapazitätselement gehörenden Knoten N bereitzustellen. Das Signal des Netto-Gasmassenstromes wird bei Block 804 mit dem volumetrischen Dämpfungsfaktor multipliziert. Das Ausgangssignal von Block 804 ist die Druckänderungsrate an dem Knoten N. Das Signal der Druckänderungsrate wird an den numerischen Integrationsblock 806 angelegt, um ein Drucksignal von diesem bereitzustellen.
Der volumetrische Dämpfungsfaktor kann als eine Funktion des bekannten geometrischen Volumens des pneumatischen Kapaziätselementes erstellt werden, oder kann alternativ durch ein Kalibrierungsverfahren, das die dynamischen Wirkungen höherer Ordnung berücksichtigen würde und in einem volumetrischen Dämpfungsfaktor auf der Grundlage des wirksamen Volumens resultiert, erstellt werden.
Die Signalflussdiagramme der 6–8 sind derart gekoppelt, dass die vorbestimmten Druckeingangssignale in die Gasmassenstromabschätzvor richtungen von den Abschätzvorrichtungen für die Zustände der pneumatischen Knoten bereitgestellt werden, und die vorbestimmten Gasmassenstrom-Eingangssignale in die Abschätzvorrichtungen für die Zustände der pneumatischen Knoten von den Gasmassenstromabschätzvorrichtungen bereitgestellt werden.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf das Flussdiagramm von 4 ist ein Satz von Programmbefehlen zum Ausführen durch das computergestützte Motorsteuergerät (PCM), das in 5 mit 93 gekennzeichnet ist und bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung wiederholt ausgeführt wird, veranschaulicht. Die durch spezielle Computerbefehle, wie in dem Flussdiagramm enthalten, durchgeführten Arbeitsschritte, führen im Allgemeinen die Funktionen der in den verschiedenen 6 bis 8 veranschaulichten Signalflussdiagramme gemäß den in den Gleichungen (18) bis (23) enthaltenen allgemeinen Beziehungen durch. Die Befehle sind Teil eines viel größeren Satzes von Befehlen, mit einer Hintergrundroutine zum Durchführen verschiedener gut bekannter Funktionen, wie Diagnose, Eingangs- und Ausgangsfunktionen, die wenn es passend ist, die Sensorsignalverarbeitung, Filtern und A/D- sowie D/A-Umwandlungen umfassen. Der Großteil der Routine von 4, insbesondere die Blöcke 107–131 kann in regelmäßigen Intervallen als Teil einer Befehlsschleife oder alternativ als Teil einer Softwareunterbrechungsroutine durchgeführt werden. Die Blöcke 101–105 sind im Allgemeinen illustrativ für einen Abschnitt eines Befehlssatzes, der während eines jeden Fahrzeugzündzyklus einmal ausgeführt wird, um verschiedene Register, Zähler, Zeitgeber, etc., in Vorbereitung für die nachfolgend wiederholt durchgeführten Routinen initialisiert.
Beginnend mit einem Zündzyklus stellt der Block 101 den Eintritt in die von dem PCM ausgeführten Befehlsschritte dar. Die Blöcke 103 und 105 stellen Befehle dar, die ausgeführt werden, um Druckzustände an den verschiedenen N Bereichen des Verbrennungsmotorsystems, die als pneumatische Volumenknoten bestimmt werden, zu initialisieren. Die Initialisierungsroutine, die die Initialisierungsschritte 103 und 105 beinhaltet, initialisiert auch verschiedene Unterbrechungszeitgeber mit einem Unterbrechungszeitgeber zum Abrufen der durch die Blöcke 107–131 bestimmten Routine. Obwohl in dem Flussdiagramm von 4 nicht gesondert dargestellt, ist es gut bekannt, dass eine Hintergrundroutine herkömmlicherweise eine Vielfalt von Motorumwandlungssignalen, die die Kühlmitteltemperatur, die Motordrehzahl, die Außentemperatur und den Ansaugrohr-Absolutdruck umfassen, einliest und verarbeitet. Es wird vorausgesetzt, dass diese Sensoreingänge gemäß gut bekannter Praktiken während regelmäßiger Intervalle so oft, wie für den bestimmten Betrag erforderlich, abgeleitet und aktualisiert werden.
Von besonderer Relevanz bei der vorliegenden Ausführungsform ist der Ausgangswert für den Ansaugrohr-Absolutdruck MAP. Während Anlasszuständen, d. h. zu einer Zeit nach dem Einschalten des Motorsteuergerätes, und der Motorverbrennung vorausgehend, ist der MAP stationär und im Wesentlichen gleich dem Luftdruck. Alle Druckknotenvariablen werden auf diesen Wert des Anfangsdruckes gesetzt.
Beim Abrufen der veranschaulichten Unterbrechungsroutine werden die Blöcke 107–129 wiederholt wie folgt ausgeführt. Zunächst stellt Block 107 Programmbefehle zum Lesen von variierbaren Gemotrievariablen, die den verschiedenen Stromwiderstandselementen, die solche variierbaren Geometrien aufweisen, zugehörig sind, und zum Speichern der Variablen in temporären Speicherplätzen zur weiteren Verarbeitung dar. Nachdem alle Variablen gelesen und gespeichert sind, stellen die Blöcke 111 und 113 Programmbefehle zum Lesen der verschiedenen pneumatischen Stromquellenelementvariablen, die die Motordrehzahl und den Nockenverstellwinkel umfassen, zum Speichern der Variablen in temporären Speicherplätzen zur weiteren Verarbeitung dar. Zu Beginn beträgt die Motordrehzahl Null und nimmt dann, wenn der Motor gestartet wird, zu. Als Nächstes werden die Blöcke 115 und 117 ausgeführt, um die Temperaturen an den verschiedenen Bereichen des Verbrennungsmotorsystems, die als pneumatische Volumenknoten bestimmt sind, zu bestimmen, und die Variablen in temporären Speicherplätzen zur weiteren Verarbeitung zu speichern. Die Temperaturen bei der vorliegenden Ausführungsform werden als Näherungen empirisch bestimmter Funktionen der Kühlmitteltemperatur und der Ansauglufttemperatur bereitgestellt.
Als Nächstes führen die Blöcke 119 und 121 Berechnungen der verschiedenen Gasmassenströme durch die pneumatischen Widerstandselemente durch und speichern sie in temporären Speicherplätzen zur weiteren Verarbeitung. Die den Blöcken 119 und 121 zugehörigen Schritte umfassen im Allgemeinen die Signalflussschritte, die dem in den 6 und 7 veranschaulichten Diagramm zugehörig sind. Die für die notwendigen Berechnungen erforderlichen Druckwerte sind die in einer zuvor ausgeführten Unterbrechungsroutine gespeicherten Druckwerte. Während des anfänglichen Ablaufens der Routine werden alle Druckwerte auf den anfänglich gelesenen MAP-Wert gesetzt. Alle Ströme werden Null ergeben. Während die Motordrehzahl mit dem Motorstart hoch fährt, werden die Ströme durch den Motor gezwungen, an den Stromquellenelementen ihren Ausgang zu nehmen. Während die Stromquellen beginnen, Massenströme zu den Volumina hinzuzufügen oder von diesen zu entfernen, beginnt der Druck sich zu ändern, was bewirkt, dass die Widerstandselemente Strom weiterleiten. Bestimmte von den Stromtermen in dem Satz aus den gekoppelten Gleichungen (18) bis (23), die Funktionen der Drehzahl sind, beginnen damit, die erzwungenen Ströme wiederzugeben.
Die Blöcke 123 bis 129 umfassen Schritte zum Berechnen von Druckänderungsraten an den verschiedenen Bereichen des Verbrennungsmotorsystems, die als pneumatische Volumenknoten bestimmt sind. Diese Schritte umfassen auch die Schritte für die numerische Integration der Druckänderungsraten, um die Drücke an den entsprechenden Knoten abzuschätzen. Die Blöcke 123 bis 129 umfassen im Allgemeinen die Signalflussschritte, die dem in 8 veranschaulichten Diagramm zugehörig sind. Die so berechneten Drücke werden in den temporären Speicherplätzen gespeichert und umfassen die Drücke, die in der nächsten Unterbrechungsroutine von den in den Blöcken 119 und 121 enthaltenen Schritten der Gasmassenstromberechnung verwendet werden. Wie erwähnt, werden zu Beginn des Ablaufes der Routine alle Druckwerte auf den anfangs gelesenen MAP-Wert gesetzt und alle Ströme ergeben Null. Daher werden alle Druckänderungsraten und alle Ströme Null ergeben. Während die Motordrehzahl mit dem Motorstart hoch fährt, werden die Ströme durch den Motor gezwungen. Bestimmte von den Stromtermen in dem Satz der gekoppelten Gleichungen (18) bis (23), die Funktion der Drehzahl sind, oder, im Fall von weiteren Stromquellenelementen, Funktionen der entsprechenden zwingenden Einträge sind, beginnen damit, die erzwungenen Ströme wiederzugeben, die wiederum die davon integrierten Druckänderungsterme beeinflussen. Während stationärer Motorbetriebszustände können die MAP-Ablesungen kontinuierlich mit dem abgeschätzten Druckzustand für den Ansaugrohr-Knoten N3 verglichen werden. Wenn nötig, können Anpassungen an die Druckänderungsrate für den Knoten N3 gemäß den Fehlern zwischen den MAP- und Zustandswerten vorgenommen werden, um kumulative Fehler oder andere Abweichungen des abgeschätzten Zustandswertes und des gemessenen MAP-Wertes zu korrigieren. Die allgemeine Wirkung besteht darin, dass der modellierte MAP dem gemessenen MAP im stationären Zustand gleich ist, aber während transienter Zustände der Messung vorauseilt.
Schließlich stellt Block 131 einen Wartestatus für die Unterbrechungsroutine dar, über den eine Vielfalt von weiteren PCM-Funktionen ausgeführt wird, wie im Stand der Technik gut bekannt. Nach dem wiederholten Ablauf des zugehörigen Unterbrechungs-Zeitgebers erlaubt Block 131 das Ausführen des die Blöcke 107 bis 129 umfassenden Befehlssatzes wie beschrieben, um regelmäßig aktualisierte pneumatische Zustände gemäß der vorliegenden Erfindung bereitzustellen.
Verschiedene von den Drücken, den Druckänderungsraten und den Strömen werden von dem in 1 veranschaulichten Steuerungsblock 97 bei der Durchführung verschieden Motorsteuerungsfunktionen verwendet. Zum Beispiel wird der Strom F₅ durch den Ansaugkanal bei einer herkömmlichen Steuerung für die Kraftstoffzufuhr in Übereinstimmung mit gut bekannten Leistungs- Wirtschaftlichkeits- und Emissionszielen verwendet. In der Praxis der Kraftstoffzufuhrsteuerung werden F5–F8 nur unter Berücksichtigung der Durchflussmenge verwendet, die Frischluft ist. Der Abgasrückführungsstrom – F₈ – wird in gleicher Weise bei der Behandlung von Abgasbestandteilen in Übereinstimmung mit gut bekannten Emissionszielen verwendet. Kurz gesagt, werden die Ausgänge von dem pneumatischen Zustandsmodell, die den Druck, die Druckänderungsrate und den Strom umfassen, in einen Motorsteuerungsblock eingegeben, der verschiedene Motorfunktionen steuert, wie dem Fachmann gut bekannt ist.
Während die Erfindung mit Bezug auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, ist vorhersehbar, dass verschiedene Abwandlungen für den Fachmann offensichtlich sind. Als solches sind die hierin beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft und nicht einschränkend dargeboten.

Claims

Verfahren zum Bestimmen von pneumatischen Zuständen in einem Verbrennungsmotorsystem (10), wobei das Verbrennungsmotorsystem eine Vielzahl von pneumatischen Elementen (11, 13, 15; 23; 60; 17,19; 53; 51; 63; 33; 41; 31, 26; 67; 92; 35, 37, 39) mit Gasstromanschlüssen und eine Vielzahl von pneumatischen Stromverzweigungen (F_n) zum Verbinden von Gasstrom zwischen verschiedenen aus der Vielzahl von pneumatischen Elementen aufweist, wobei das Verfahren durch die Schritte gekennzeichnet ist, dass eine Vielzahl von Stellen in dem Verbrennungsmotorsystem als pneumatische Knoten (N_n) festgelegt wird; für jeden von den pneumatischen Knoten (N_n) entsprechende Sätze von pneumatischen Parametern (P_u, P_d, T_u, θ, N_e) bereitgestellt werden, die Elementen zugehörig sind, die aus der Vielzahl von mit dem jeweiligen pneumatischen Knoten (N_n) verbundenen pneumatischen Elementen ausgewählt werden; und ein erster pneumatischer Zustand (P_n) an jedem von den pneumatischen Knoten (N_n) aus einem Satz von vorbestimmten Beziehungen aus den entsprechenden Sätzen von pneumatischen Parametern bestimmt wird, wobei für jeden von den pneumatischen Knoten (N_n) der erste pneumatische Zustand (P_n) eine Druckänderung in Bezug auf ein vorbestimmtes Intervall umfasst, und der Schritt des Bestimmens die Schritte umfasst, dass ein entsprechender Gasmassenstrom (M_n) durch jedes von den Elementen, die aus der Vielzahl von pneumatischen Elementen ausgewählt sind, aus jedem entsprechenden Satz von pneumatischen Parametern bestimmt wird, und die entsprechenden Gasmassenströme summiert werden, um einen Netto-Gasmassenstrom (M_n) zu bestimmen.
Verfahren zum Bestimmen von pneumatischen Zuständen nach Anspruch 1, wobei die entsprechenden Sätze von pneumatischen Parametern vorbestimmte Anschlussdrücke (P_u, P_d) von entsprechenden Elementen, die aus der Vielzahl von pneumatischen Elementen ausgewählt sind, umfassen.
Verfahren zum Bestimmen von pneumatischen Zuständen nach Anspruch 1, ferner mit den Schritten, dass ein Dämpfungsfaktor (RT_n/V_n) als eine vorbestimmte volumetrische Funktion des pneumatischen Knotens bereitgestellt wird, und der Dämpfungsfaktor auf den Netto-Gasmassenstrom angewendet wird.
Verfahren zum Bestimmen von pneumatischen Zuständen nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Bereitstellens entsprechender Sätze von pneumatischen Parametern umfasst, dass vorbestimmte entsprechende Anschlussdrücke (P_u, P_d) für jedes von den Elementen, die aus der Vielzahl von pneumatischen Elementen ausgewählt sind, bereitgestellt werden.
Verfahren zum Bestimmen von pneumatischen Zuständen nach Anspruch 4, wobei zumindest eines von den Elementen, die aus der Vielzahl von pneumatischen Elementen ausgewählt sind, eine Durchflussbegrenzungseinrichtung umfasst, die variiert werden kann, um einen Durchflussbegrenzungszustand (θ) durch dieses festzulegen, und der Schritt des Bereitstellens entsprechender Sätze von pneumatischen Parametern ferner umfasst, dass der Durch flussbegrenzungszustand für die Durchflussbegrenzungseinrichtung bereitgestellt wird.
Verfahren zum Bestimmen von pneumatischen Zuständen nach Anspruch 5, wobei die Durchflussbegrenzungseinrichtung eine Ansaugluftdrossel (19) umfasst.
Verfahren zum Bestimmen von pneumatischen Zuständen nach Anspruch 5, wobei die Durchflussbegrenzungseinrichtung ein Abgasrückführungsventil (41) umfasst.
Verfahren zum Bestimmen von pneumatischen Zuständen nach Anspruch 5, wobei die Durchflussbegrenzungseinrichtung ein Leerlaufluft-Umleitungsventil (60) umfasst.
Verfahren zum Bestimmen von pneumatischen Zuständen nach Anspruch 4, wobei zumindest eines von den Elementen, die aus der Vielzahl von pneumatischen Elementen ausgewählt sind, eine pneumatische Pumpe (30; 24; 38) umfasst, um einen Strömungszustand hierdurch in Übereinstimmung mit der Geschwindigkeit der pneumatischen Pumpe festzulegen, und der Schritt des Bereitstellens entsprechender Sätze von pneumatischen Parametern ferner umfasst, dass die Geschwindigkeit der pneumatischen Pumpe bereitgestellt wird.
Verfahren zum Bestimmen von pneumatischen Zuständen nach Anspruch 9, wobei die pneumatische Pumpe einen Verbrennungszylinder (30) mit einem sich darin hin und her bewegenden Kolben (34) umfasst.
Verfahren zum Bestimmen von pneumatischen Zuständen nach Anspruch 9, wobei die pneumatische Pumpe einen Lader (24) umfasst.
Verfahren zum Bestimmen von pneumatischen Zuständen nach Anspruch 9, wobei die pneumatische Pumpe einen Turbolader (24) umfasst.
Verfahren zum Bestimmen von pneumatischen Zuständen nach Anspruch 9, wobei die pneumatische Pumpe eine Sekundärluftpumpe (38) umfasst.
Verfahren zum Bestimmen von pneumatischen Zuständen nach Anspruch 1, ferner den Schritt umfassend, dass: ein zweiter pneumatischer Zustand (P_n) an dem pneumatischen Knoten (N_n) als eine vorbestimmte Funktion des ersten pneumatischen Zustandes (P ._n) bestimmt wird.
Verfahren zum Bestimmen von pneumatischen Zuständen nach Anspruch 14, wobei der zweite pneumatische Zustand einen Druck (P_n) umfasst, und der Schritt des Bestimmens des zweiten pneumatischen Zustandes den Schritt umfasst, dass ein numerisches Integral von dem ersten pneumatisch Zustand bestimmt wird.
Verfahren zum Bestimmen von pneumatischen Zuständen nach Anspruch 14, wobei die entsprechenden Sätze von pneumatischen Parametern vorbestimmte Anschlussdrücke (P_u, P_d) von entsprechenden der Elemente, die aus der Vielzahl von pneumatischen Elementen ausgewählt sind, umfassen, der zweite pneumatische Zu stand einen Druck (P_n) umfasst, und die vorbestimmte Funktion des ersten pneumatischen Zustandes eine numerische Integration des ersten pneumatischen Zustandes umfasst.
Verfahren zum Bestimmen von pneumatischen Zuständen nach Anspruch 15, des Weiteren die Schritte umfassend, dass: ein Dämpfungsfaktor (RT_n/V_n) als eine vorbestimmte volumetrische Funktion des pneumatischen Knotens (N_n) bereitgestellt wird, und der Dämpfungsfaktor auf den Netto-Gasmassenstrom (M ._n) angewendet wird.
Verfahren zum Bestimmen von pneumatischen Zuständen nach Anspruch 14, wobei der Schritt des Bereitstellens entsprechender Sätze von pneumatischen Parametern umfasst, dass vorbestimmte entsprechende Anschlussdrücke (P_u, P_d) für jedes von den Elementen, die aus der Vielzahl von pneumatischen Elementen ausgewählt sind, bereitgestellt werden.
Verfahren zum Bestimmen von pneumatischen Zuständen nach Anspruch 18, wobei zumindest eines von den Elementen, die aus der Vielzahl von mit dem zumindest einen pneumatischen Knoten (Nn) verbundenen pneumatischen Elementen ausgewählt sind, eine Durchflussbegrenzungseinrichtung umfasst, die variiert werden kann, um einen Durchflussbegrenzungszustand (θ) durch dieses festzulegen, und der Schritt des Bereitstellens entsprechender Sätze von pneumatischen Parametern ferner umfasst, dass der Durchflussbegrenzungszustand (θ) für die Durchflussbegrenzungseinrichtung bereitgestellt wird.
Verfahren zum Bestimmen von pneumatischen Zuständen in einem Verbrennungsmotorsystem nach Anspruch 15, wobei das Bestimmen der entsprechenden Gasmassenströme die Schritte umfasst, dass entsprechende Standard-Gasmassenströme (M . _std) für pneumatische Standard-Zustände als entsprechende vorbestimmte Funktionen eines jeden Satzes von pneumatischen Parametern bestimmt werden, und die entsprechenden Standard-Gasmassenströme (M . _std) für pneumatische Ist-Zustände (T_u, P_u) korrigiert werden, um dadurch entsprechende Gasmassenströme bereitzustellen.