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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren und System zur Anpassung der Zeiteinstellung eines
Zylinderventil-Systems in einem hin- und herlaufenden Verbrennungsmotor,
um so optimierte Drehmomentabgabe mit minimalen Emissionen von Oxiden
des Stickstoffs zu erlauben.
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Abgasrückführung (EGR, Exhaust Gas Recirculation;
Abgasrückführung) wird
benutzt um die Bildung von Oxiden des Stickstoffs (NOx)
in Verbrennungsmotoren zu vermindern. Im Wesentlichen verdünnen inerte
Abgase die angesaugte Luft/Kraftstoff-Ladung und erniedrigen die
Spitzen-Verbrennungstemperatur, was Stickstoffixierung, und folglich NOx-Speisegasemissionen
aus dem Motor, vermindert. Herkömmlich
wird Abgasrückführung – mittels eines
elektrisch oder durch Vakuum betätigten
Ventils – durch
Regelung eines vom Abgaskrümmer
des Motors stammenden Stromes von Abgas zu dem Ansaugkrümmer erzielt.
Weil eine Umwälzung
des Abgases allgemein auf einen höheren Druck im Ansaugkrümmer als
im Abgaskrümmer
vertraut, arbeiten herkömmliche
EGR-Systeme mit überverdichteten
oder turbogeladenen Motoren nicht gut.
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Herkömmliche EGR-Regelalgorithmen schließen Integral-
oder Proportional-Integral-Derivativ-Schleifen ein, welche die EGR-Ventilstellung
auf einen geplanten. Stationärzustands-Wert
anpassen. Weit EGR die Dynamik des Atmungsprozesses und folglich
die Drehmomentreaktion des Motors verändert, ist ein vorsichtiger
Stationärzustands-
und Übergangs-Reglerentwurf notwendig,
um eine gute Motordrehmoment-Reaktion beizubehalten. Aus diesem Grund
ist EGR während
vorübergehendem.
Motorbetrieb, oder während
kaltem Motorbetrieb und während.
des Leerlaufs, typischerweise abgeschaltet oder wird beträchtlich
verzögert.
Fortschritte in Echtzeit-Berechnung und Hardware haben die Anwendung
und Regelung des Zylindergas-Austauschprozesses
möglich
gemacht, und daher die Möglichkeit einer
internen EGR. EGR zu erreichen, indem man zulässt, daß Gas vom Abgaskrümmer in
die Motorzylinder umkehrt, stellt aus mehreren Grunden eine bessere
Regelung des zum Ende des Abgashubes im Zylinder verbleibenden Rest-Massenanteils
bereit: die mit dem Weg von Abgas- zu Ansaugkrümmer in Zusammenhang stehende,
lange Transportverzögerung
wird beseitigt; die mit dem Füllen
des Ansaugkrümmers
in Zusammenhang stehende, langsame Dynamik wird vermieden; und,
wie oben bemerkt, interne EGR hängt
nicht vom Differenzdruck zwischen den Ansaug- und Abgaskrümmern ab.
Der abschließende
Vorteil ist besonders bei Motoren wichtig welche in an Kraftstoff
mageren Bereichen betrieben werden, wie etwa Diesel- und funkengezündete Direkteinspritzungs-Motoren,
weil derartige Motoren oft turbogeladen sind.
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Ein Verfahren, das benutzt wird um
interne EGR zu regulieren, ist Nockenwellen-Phaseneinstellung. Alternativ kann man
dies erreichen indem man Ventilereignisse direkt regelt. Schnelle Übergangsregelung
interner EGR ist durch Stellglied-Dynamik und Berechnungsverzögerungen
begrenzt. Die jüngste
Entwicklung von internen EGR-Systemen (IEGR-Systemen) in gedrosselten
Motoren zeigt jedoch, daß die
IEGR-Systeme mit der langsamen Ansaugkrümmer-Fülldynamik wechselwirken und
untragbare Motorleistung verursachen können, 2 veranschaulicht die Leistung eines
Motors der Null EGR, ein maximales Niveau an EGR, und einen arbeitenden
EGR-Plan aufweist. Man bemerke daß die Drehmoment-Reaktion mit
dem maximalen EGR-Plan, verglichen sowohl mit EGR von Null wie auch
dem arbeitenden EGR-Plan, scharf abfällt.
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5 veranschaulicht
was passieren kann wenn die Ventileinstellung, und somit die EGR-Rate, entweder
zu langsam oder zu schnell geändert
wird. Das Problem ist hier daß die
Drehmomentreaktion, wenn sich die IEGR-Rate zu schnell ändert, zum
Beispiel wegen schneller Änderungen
in der Nockenwellen-Einstellung, das gezeigte Unterschwingen abgeben
kann. Dies tritt auf weil der Luftstrom dazu neigt mit einem Anstieg
in der Nockenwellen-Einstellung abzunehmen. Ändert sich
die Nockenwellen-Einstellung jedoch zu langsam, so kann das Drehmoment überschwingen.
Dies geschieht weil der Luftstrom aufgrund der Ansaugdruck-Dynamik verursacht durch
einen größeren Drosselwinkel – zuerst
schnell ansteigt; dann sinkt der Luftstrom ab, weil die Nockenwellen-Einstellung
sich langsam dem gewünschten
größer als
anfänglichen
Wert nähert.
Aus der Perspektive des Fahrers ist sowohl das Unterschwingen wie
auch das Überschwingen
unerwünscht.
Das Unterschwingen wird als Absacken gefühlt, oder man sagt das Fahrzeug „arbeitet
schlampig".
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Es ist ein Zweck der vorliegenden
Erfindung einen Ventileinstellungs-Wähler zu betreiben, wie etwa
eine Nockenwellen-Phasenlagen-Einstellung, so daß die vorübergehende Drehmomentreaktion
eines Motors mit einem vernünftigen
Niveau an EGR einen Charakter aufweist, welcher der vorübergehenden
Drehmoment-Reaktion eines Motors ohne ein EGR-Versorgungssystem ähnlich ist.
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Gemäß der vorliegender Erfindung
wird IEGR dynamisch geplant, so daß ein Ventilphasenlagen-Einsteller
die Nockenwelle – oder
eine andere Art von Ventile betätigendem
Gerät -
zu einem optimalen Stationärzustands-Wert
hin bewegt, welcher auf gemessenem Drosselwinkel und Motordrehzahl basiert.
Die dynamische Planung besteht aus einer Zeitkonstanten, in der
eine Differentialgleichung erster Ordnung das Übergangsverhalten der IEGR
von einem Stationärzustands-Punkt
zum nächsten
definiert. Die Zeitkonstante selbst wird als eine Funktion von mindestens
Motordrehzahl und Drosselstellung ausgewählt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
schließt ein
System zur Anpassung der zeitlichen Einstellung eines Zylinderventil-Systems
eines hin- und herlaufenden Verbrennungsmotors eine Mehrzahl von
Sensoren ein, um Werte einer Mehrzahl von Motor-Betriebsparametern
zu messen, und einen mit den Sensoren verbundenen Regler, um die
gemessenen Werte der Betriebsparameter zu empfangen. Der Regler
schließt
einen Ventileinstellungs-Wähler
ein, um die Statische Zylinderventil-Einstellung basierend auf mindestens
zwei Motor-Betriebsparametern
zu bestimmen; einen Reaktionszeit-Wähler, um eine Zeitkonstante
zur Anpassung der Ventileinstellung basierend auf den Werten von
mindestens zwei dieser Betriebsparameter anzupassen; und einen die vorherbestimmte
Zeitkonstannte beinhaltenden Filter, um die Anpassungsgeschwindigkeit
des Zylinderventil-Systems von einer bestehenden, statischen Ventileinstellung
auf eine gewünschte,
statische Ventileinstellung zu regeln. Abschließend paßt ein durch den Regler betätigter Ventilphasenlagen-Einsteller die
Ventileinstellung gemäß der Ausgabe
des Filters an.
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Gemß einer bevorzugten Ausführungsform bestimmt
der vorliegende Ventileinstellungs-Wähler den
statischen Wert basierend auf mindestens einer gemessenen Stellung
einer manuell geregelten Drossel und einer gemessenen Motordrehzahl.
Dies ist für
die Auswahl einer Zeitkonstanten ähnlich, welche auch aus aufeinander
abgestimmten Werten von Zeit, gemessener Drosselstellung und gemessener Motordrehyahl
bestimmt werden kann. Eine innerhalb des Reglers enthaltene Nachschlagetabelle kann
verwendet werden um Werte der gewünschten statischen Ventileinstellung
und der Zeitkonstante zu bestimmen.
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Der in der vorliegenden Erfindung
benutzte Filter kann einen Tiefpaß-Filter umfassen, wobei der Ventilphasenlagen-Einsteller
einen Nockenwellen-Phasenverschieber umfaßt.
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Gemäß noch eines anderen Aspekts
der vorliegenden Erfindung schließt ein Verfahren zur Anpassung
der zeitlichen Einstellung eines Zylinderventil-Systems eines Verbrennungsmotors,
das eine variable Ventileintellung aufweist, die Schritte ein eine Mehrzahl
von mit der Ventileinstellung in Zusammenhang stehende Motor-Betriebsparametern
zu messen, wobei die Parameter mindestens die Stellung einer manuellen
Drossel und die Motordrehzahl einschließen; eine gewünschte statische
Ventileinstellung und eine Zitkonstante basierend auf diesen gemessenen
Werten von Drosselstellung und Motordrehzahl auszuwählen; und
die Ventileinstellung auf die gewünschte statische Ventileinstellung
anzupassen, während
man die Aupassungsgeschwindigkeit mit einem diese Zeitkonstante
beinhaltenden Tiefpaß-Filter
filtert. Das vorliegende Verfahren kann außerdem die Auswahl statischer
Ventileinstellungs- und Zeitkonstanten-Werte aus innerhalb des Speichers
einer Motorregelung enthaltenden Nachschlagetabellen einschließen.
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Die innerhalb der Nachschlagetabellen
für statische
Ventileinstellung und Zeitkonstante enthaltenen Werte können bestimmt
werden indem man einen Motor bei festgelegten Drosselstellungen
und Motordrehzahlen betreibt, während
man bei verschiedenen Drosselwinkeln die Ventileinstellung von einer
statischen Einsteilung zu einer anderen statischen Einstellung variiert,
während
man die resultierende Stationärzustands-Drehmomentabgabe
des Motors aufnimmt. Danach werden Werte für statische Ventileinstellung
und Zeitkonstante zur Aupassung der Ventileinstellung ausbewählt, so
daß ein
gemäß des vorliegenden
Verfahrens betriebener Motor eine Drehmomentabgabe aufweisen wird,
welche eine idealisierte Drehmoment-Abgabe weder unterschwingt noch überschwingt.
Obwohl die Drehmomentabgabe eines das vorliegende System aufweisenden
Motors weniger als die Drehmomentabgabe eines Motors sein wird der
wenig oder keine EGR besitzt, ist der Punkt auf den es ankommt,
daß das
neuartige System es erlaubt daß die
vorübergehenden Drehmoment-Abgabekurven eines
Motors die gleichen Wendepunkte und Steigungen aufweisen wie ein
Motor ohne EGR. Folglich kann man sagen daß das vorliegende System es
erlaubt, daß die
vorübergehenden
Drehmoment-Charakteristika beider Motoren aneinander angepaßt werden.
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Es ist ein Vorteil der vorliegenden
Erfindung, daß ein
mit dem Verfahren und dem System gemäß dieser Erfindung ausgerüsteter Motor
mit höheren EGR-Raten
verwendet werden kann, während
er noch immer eine ruhige, monotone Drehmomentreaktion erzeugt.
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Es ist ein weiterer Vorteil der vorligenden
Erfindung, daß ein
mit dieser Erfindung arbeitender Motor keinerlei externen EGR-Ventile
oder EGR-Verrohrung erfordern wird, und als eine Folge werden die Aufwendungen
eines derartigen externen EGR-Systems vermieden werden.
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Es ist ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung,
daß ein
mit dieser Erfindung arbeitender Motor im Wesentlichen die gleiche
vorübergehende Drehmomentreaktion
aufweisen wird wie ein Motor ohne EGR.
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Die Erfindung wird nun, anhand eines
Beispiels, unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben
werden, in denen:
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1 ein
Blockdiagramm eines Regelsystems gemäß der vorliegenden Erfindung
ist;
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2 Stationärzustands-Leistungskurven eines
verschiedene EGR-Regelschemata aufweisenden Motors veranschaulicht;
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3 eine
idealisierte Auftragung von Nockenwellen-Phasenlage als Funktion
des Drosselwinkels bei einer festgelegten Motordrehzahl veranschaulicht;
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4 ein
Blockdiagramm eines Regelsystems gemäß der vorliegenden Erfindung
ist; und
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5 vorübergehende
Drehmoment-Kurven eines verschiedene Geschwindigkeiten an Abgaseinstellungs-Regelung
aufweisenden Motors veranschaulicht.
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Wie im 1 gezeigt
verwendet ein Regelsystem Motorregler 20, welcher aus einer
Klasse derartiger den Fachleuten bekannter und durch diese Öffenlegung
vorgeschlagener Regler erhalten wird. Regler 20 empfängt Eingaben
von einer Mehrzahl von Sensoren 22, welche eine Mehrzahl
von Motor-Betriebsparametern messen. Zum Beispiel mißt einer
der Sensoren 22 die Stellung der manuell zu steuernden
Drossel 24; ein anderer Sensor 22 mißt den Wert
der Motor-Betriebsdrehzahl, N. Regler 20 betätigt Ventilphasenlagen-Einsteller 26,
welcher aus einer Klasse den Fachleuten auf dem Gebiet der Motorkonstruktion
bekannter und durch diese Offenlegung vorgeschlagener Vorrichtungen
erhalten wird. Ventilphasenlagen-Einsteller 26 kann
zum Beispiel eine Vorrichtung umfassen um die Stellung einer Ventile
betätigenden
Nockenwelle gegenüber
der Position der Kurbelwelle des Motors zu verändern; oder eine Ventileinstellungs-
oder Phasenverschiebungs-Vorrichtung zur Verwendung mit elektrohydraulisch
betätitgten
oder mittels Elektromagneten betätigten
Ventilen; oder irgendeinen anderer Typ von Zylinderventil, der mit
sich hin- und herbewegenden Verbrennungsmotoren verwendetes, die
variable Ventileinstellung betätigendes
Gerät aufweist.
Wie oben bemerkt ist es der Zweck der vorliegenden Erfindung einen
Motor gemäß den durchgezogenen
Linien der 2 und 5 zu betreiben. Die gestrichelte Linie
von 2, betitelt „Null EGR", wird – obgleich sie
das höchste
Drehmoment jeglicher EGR- Strategie erzeugt – auch die höchsten NOx-Pegel erzegen – ein regulierter Schadstoff,
welcher durch die Hersteller von Kraftfahrzeugen und Motoren geregelt werden
muß. Andererseits
wird die Linie mit maximaler EGR, welche die strichpunktierte Linie
von 2 ist – obwohl
sie allgemein die niedrigsten Pegel an Stickoxiden erzeugt ein Problem
mit Drehmomentminderung verursachen, wie es in 2 gezeigt ist. Folglich ist es wünschenswert
eine praktikabel arbeitende EGR-Planung zu implementieren, wie in
der durchgezogenen Linie von 2 gezeigt.
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3 veranschaulicht
die Ergebnisse einer Motortestung, die beabsichtigt bei konstanter
Drehzahl – in 3 als 2000 U/min angezeigt – die wünschenswerte
Nockenwellen-Phasenlage
(gemessen in Grad) als eine Funktion des Drosselwinkels (ebenfalls
in Grad gemessen) zu bestimmen. Die in 3 veranschaulichte Kurve wird entwickelt
indem man einen Anwärter-Motor
bei einer Vielzahl von Nockenwellen-Phasenwinkeln bei konstanter
Drehzahl und konstantem Drosselwinkel betriebt, während das
Abgabedrehmoment des Motors gemessen wird. Dann werden Nockenwellen-Phasenwinkel
ausgewählt
um die in 2 in durchgezogener
Linie gezeigte Drehmoment-Abgabekurve zu erzeugen. Man bemerke in 3 daß die Nockenwellen-Phasenänderung
sowohl bei niedrigen Werten des Drosselwinkels wie auch bei extrem
hohen Werten des Drosselwinkels im Wesentlichen Null ist. In einem
Mitteibereich, d. h. zwischen 10–20 Grad Drosselwinkel, wird
die Nockenwellen-Phasenlage
im Wesentlichen konstant gehalten: Abschließend wird die Nockenwellen-Phasenlage bei höheren Winkeln,
d. h. 20–40
Grad, proportional zum Drosselwinkel verringert. In der Praxis wird
für eine
Vielzahl von Motordrehzahlen eine Kurve ähnlich 3 erzeugt werden, um bei jeder Motordrehzahl
die Auswahl einer geeigneten Nockenwellen-Phasenlage zu gestatten.
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Ist einmal eine Familie von Kurven
erzeugt, welche die Konfiguration der 3 aufweisen,
so wird der Anwärter-Motor
bei verschiedenen Geschwindigkeiten des Ventilphasenlagen-Einstellers 26 von
einer statischen Nockenwellen-Einstellung ustatic zu
einem anderen Weit von ustatic betrieben,
um so die Arbeitsgeschwindigkeit des Ventilphasenlagen-Einstellers zu verifizieren,
die benötigt
wird um jenen durch die durchgezogene Linie von 5 veranschaulichten, ruhigen Betrieb
zu erreichen. Eine Nachschlagetabelle, die entsprechend den vorherbestimmten.
Arbeitsgeschwindigkeiten. des Ventilphasenlagen-Einstellers Werte von Filter-Zeitkonstanten enthält, wird
erzeugt und in Regler 20 aufgenommen. Die Zeitkonstanten
werden bestimmt indem man an den. Motor-Testdaten eine Sensitivitätsanalyse
vornimmt. Im Wesentlichen ist die vorübergehende Drehmomentabgabe
des Motors eine Funktion von Motordrehzahl, Drosselöffnung,
Nockenwellen-Stellung, Ansaugkrümmer-Druck
und Ansaugkrümmer-Fülldynamik.
Diese Beziehungen können
als partielle Aleitungen ausgedrückt
werden. Indem man die Motor-Testdaten durch numerische Integration
reduziert können
Zeitkonstanten der Nockenwellen-Phasenlage bestimmt werden, welche
es dem Motor erlauben die vorübergehende
Drehmoment-Abgabe eines Motors nachzuahmen der keine EGR besitzt.
Verwendet man die in dieser Art und Weise entiwickelten Zeitkonstanten,
so wird das Abgabedrehmoment des Motors eine idealisierte Abgabekurve,
wie etwa die Kurve mit durchgezogener Linie in 5, weder unterschreiten noch tiberschreiten.
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4 veranschaulicht
den Betrieb gemäß einem
Verfahren zur Anpassung der zeitlichen Einstellung eines Zylinderventil-Systems
eines Verbrennungsmotors das eine variable Ventileinstellung besitzt.
Die Routine beginnt bei Block 40, und bei Block 42 werden
verschiedene Betriebsparameter, Pop, gemessen:
Wie in 1 gezeigt werden
der manuelle Drosselwinkel, θM, und Motordrehzahl, N, mit Sensoren 22 gemessen.
Bewegt man sich zu Block 44 so sucht Regler 20 eine
Nachschlagetabelle durch, um eine Familie von der Motordrehzahl
N entsprechen Einträgen
zu finden; und nachdem er eine derartige Familie gefunden hat, wendet
Regler 20 den Wert θM an und extrahiert aus der Nachsehlagetabelle
einen Wert für
ustatic was die statische Nockenwellen-Einstellung
ist. Die Nachschlagetabelle von Blck 44 wird mit einer
Familie von Kurven entwickelt, wobei jede die Information der in 3 veranschaulichten Auftragung
besitzt. In anderen Worten wird ein Wert für eine Zeitkonstante, τ, in einer
Zeitkonstanten-Tabelle mit entsprechenden Werten für θM und N plaziert werden.
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Bei Block
46 bewegt Regler
20 den
Ventilphasenlage-Einsteller
26 zu dem neuen statisehen Nocken-Einstellwert,
gemäß der Ausgabe
eines Tiefpaßfilters
der die Konfiguration aufweist:
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Der Wert für τ wird aus der zuvor beschriebenen
Zeitkonstanten-Nachschlagetabelle ausgewählt. Abschließend fährt die
Routine bei Block 50 fort, worin die Operation einmal mehr
ausgeführt
wird um einen neuen statischen Wert der Ventileinstellung, ustatic, und einen neuen. Wert für τ auszuwählen.
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Die Fachleute werden mit Block auf
diese Offenlegung erkennen, daß – obwohl
gezeigt wird daß es
die Parameter von Drosselwinkel und Motordrehzahl sind, auf die
man sich zur Auswahl der statischen Nocken-Einstellung ustatic und auch für die Auswahl von τ verläßt – andere
Motor-Betriebsparameter zu
dein Zweck verwendet werden könnten
ein System gemäß der vorliegenden
Erfindung zu betreiben.
