DE69829435T2

DE69829435T2 - Pneumatischer Zustandschätzer für Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE69829435T2
Application number: DE69829435T
Authority: DE
Inventors: Peter M. Ann Arbor Olin; Peter J. New Hudson Maloney
Original assignee: Delphi Technologies Inc
Current assignee: Delphi Technologies Inc
Priority date: 1997-05-30
Filing date: 1998-04-27
Publication date: 2005-07-28
Anticipated expiration: 2018-04-28
Also published as: EP0881374A2; US5845627A; EP0881374A3; EP0881374B1; DE69829435D1

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft die Schätzung eines pneumatischen Zustandes eines Verbrennungsmotors und insbesondere die Schätzung und Korrektur eines pneumatischen Zustandes zur Motorsystemsteuerung und -diagnostik.
Hintergrund der Erfindung
Es wurde vorgeschlagen, ein Verbrennungsmotor-System in ein unabhängiges Netzwerk von Knoten und Strömungswegen netzförmig anzulegen, um die Geschwindigkeit, mit der Gase durch das Motorsystem strömen, zu schätzen, zur Anwendung in Motorsystemsteuerungs- und -diagnoseverfahren, wie in der US Parallelanmeldung mit der Serien-Nr. 08/759 276 offen gelegt. Im Allgemeinen betrifft die Schätzung bestimmte Annahmen oder Annäherungen an eine Sequenzanalyse des pneumatischen Drucks und der Strömungsgeschwindigkeit durch das Netzwerk, von einem Strömungsweg zum nächsten schreitend, bis detaillierte dynamische Informationen, die den Druck und den Gasstrom durch das Motorsystem kennzeichnen, zur Anwendung in Motorsteuerungs- oder -diagnoseoperationen entwickelt sind.
Lenz et al. lehren eine Strategie zur Steuerung eines Motors mit elektrischer Zündung, um die Luftmasse innerhalb der Brennkammer zu bestimmen. (Zusammenfassung). Der Zustands-Krümmerdruck ist durch die thermodynamische Zustandsgleichung (Gleichung 1) bestimmt. Die Luftmassenströmungsgeschwindigkeit durch die Drosselklappe in den Krümmer auf Grund der Druckdifferenz zwischen Umgebungs- und Krümmerbedingungen ist als Strömung eines komprimierbaren Mediums durch eine zusammenlaufende Düse ausgedrückt (Gleichung 4). Gleichung 2 kann verwendet werden, um den Druck als eine Funktion des Luftmassenstroms zu berechnen (Lenz et al., Seite 108). (Lenz et al., „Artificial Intelligence for Combustion Engine Control, SAE Technical Paper Series, 1. Januar 1996 (196-01-01), Seiten 107-116.
Es wurde bestimmt, dass solche Annahmen während einer gesamten Betriebsdauer eines Motorsystems nicht gültig sein können, was zu einer verringerten Schätzgenauigkeit führt. Die Schätzung wird während eines Betriebszyklus des Motorsystems wiederholt, um aktuelle Druck- und Strömungsgeschwindigkeitsinformationen im gesamten Netzwerk aufrecht zu erhalten und kann verschiedene durchsatzintensive Verfahren wie z. B. numerische Integrationsverfahren umfassen. Als solche können bestimmte Kompromisse erforderlich sein, so dass die Schätzung in einer Steuereinheit mit Durchsatzbegrenzungen und mit verschiedenen weiteren Steuer-, Wartungs- und Diagnoseaufgaben implementiert sein kann. Zum Beispiel kann eine Iterationsgeschwindigkeit für eine relativ granulare Schätzung erforderlich sein, um nicht den Durchsatz der Steuereinheit zu überschwemmen. Die Stabilität der Schätzung kann unter bestimmten Betriebsbedingungen bei einer solchen Iterationsgeschwindigkeit beeinträchtigt sein, was zu einer verringerten Schätzgenauigkeit unter solchen Betriebsbedingungen führt.
Jede Verringerung der Schätzgenauigkeit, zum Beispiel auf Grund ungültiger Annahmen in Bezug auf physikalische Systemeigenschaften, Sensoreingangseigenschaften und die Umgebung des Motorsystems, oder in Bezug auf eine reduzierte Iterationsgeschwindigkeit für die Schätzung kann bei der Schätzung des Netzwerkstroms in einer Inkonsistenz resultieren.
Zum Beispiel kann eine verringerte Schätzgenauigkeit zu einem Ungleichgewicht in dem Netto-Strom an einem Knoten des Netzwerkes führen, in dem der Netto-Strom in den Knoten auf unerwartete Weise von dem Netto-Strom aus dem Knoten abweicht. Solch eine Inkonsistenz kann zu einer verringerten Steuerungs- und Diagnosegenauigkeit des Motorsystems führen.
Es wäre daher wünschenswert, zu bestimmen, wann eine signifikante Schätzungenauigkeit in einer Strömungsanalyse des Motorsystems vorliegt, und die Ungenauigkeit zu korrigieren, um die Präzision der Motorsteuerung und -diagnose zu bewahren.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft das Schätzen pneumatischer Zustände in einem Motorsystem, das in ein Strömungsnetzwerk mit einer Vielzahl von Gasströmungsverzweigungen für Motorsteuerungs- und Diagnoseoperationen netzförmig angelegt ist, wobei Informationen über eine pneumatische Zustandsschätzung angewendet werden, um Inkonsistenzen innerhalb des Netzwerkes zu lösen, damit durch das Merkmal gemäß Anspruch 1 die gesamte Schätzgenauigkeit verbessert und die Präzision der Motorsystemsteuerung und -diagnose erhöht wird.
Insbesondere wird eine Sequenz unabhängiger Operationen zur Schätzung der Gasströmungsgeschwindigkeit periodisch während eines Betriebszyklus eines Motorsystems für verschiedene Strömungswege in einem Motorsystem durchgeführt. Unter bestimmten Betriebsbedingungen werden die resultierenden Schätzungen der Strömungsgeschwindigkeit auf eine Bewahrung eines Strömungsmodells angewendet, um Abweichungen in dem Netto-Strom weg von einem erwarteten Netto-Strom von zumindest einem Knoten des netzartigen Netzwerkes zu erkennen. Schwächen in der Schätzungsannäherung werden identifiziert und jeglicher identifizierten Abweichung zugeordnet. Der Gasstrom-Fehler, der solchen Schwächen in der Schätzungsannäherung entspricht, wird schrittweise als eine Funktion der identifizierten Abweichung korrigiert, damit jegliche Strom-Fehler minimiert werden, um die Präzision der Motorsteuerung und -diagnose zu bewahren.
In Übereinstimmung mit noch einem weiteren Aspekt der Erfindung befindet sich der identifizierte Knoten innerhalb des Ansaugkrümmers des Motors, und die Schwäche des entsprechende Modells ist unter bestimmten Betriebsbedingungen ein vorheriges Schätzen des Atmosphären (Umgebungs-) Luftdruckes. Die Abweichung des Gasstroms in dem Ansaugkrümmerknoten wird angewendet, um das vorherige Schätzen des Atmosphärendruckes zu korrigieren. Kosten und Aufwand in Verbindung mit kostspieliger Hardware zum Erfassen des Atmosphärendrucks und für Kalibrationsverfahren mit aufwändigen Verfahren zum Kalibrieren der Auswirkungen der Änderung des Atmosphärendrucks in verschiedenen Einsatzhöhen werden dadurch vermieden. In Übereinstimmung mit noch einem weiteren Aspekt der Erfindung befindet sich der identifizierte Knoten innerhalb des Auslasskrümmers des Motors. Eine Instabilität der Schätzung pneumatischer Zustände unter bestimmten Betriebsbedingungen an einem solchen Knoten führt zu einem Fehler der Zustandsschätzung, der als eine Funktion einer identifizierten Abweichung in dem Netto-Strom in dem Auslasskrümmer schrittweise gegen Null verringert wird. Die daraus resultierenden Zunahmen der Stabilität erlauben die Anwendung numerisch intensiver Schätzverfahren in praktischen steuerungsbasierten Systemen mit beträchtlichen Durchsatzbeschränkungen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung ist am Besten durch Bezugnahme auf die bevorzugte Ausführungsform und die Zeichnungen verständlich, in denen:
1 eine allgemeine Darstellung eines Verbrennungsmotor-Systems mit einem Netzwerk von Gasströmungswegen durch verschiedene pneumatische Elemente gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist.
2 ein allgemeiner Signalflussplan ist, der ein Steuerungs- und Diagnosenetzwerk eines Motorsystems zum Schätzen pneumatischer Zustände und zur Steuerung und Diagnose des Motorsystems gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht; und
3 und 4 Computer-Flussdiagramme sind, die einen Fluss von Operationen der Steuereinheit von 2 zum Durchführen einer Schätzung und Korrektur eines pneumatischen Zustandes sowie von Steuerungs- und Diagnoseoperationen des Motorsystems von 1 veranschaulichen.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Bezug nehmend auf 1 ist ein herkömmliches Verbrennungsmotor-System veranschaulicht, auf das Steuerungs- und Diagnoseverfahren gemäß dieser Ausführungsform angewendet werden. Das Motorsystem ist netzförmig in ein unabhängiges Netzwerk von Gasmassenströmen angelegt, das durch Pfeile, die mit F₁–F₁₆ bezeichnet sind, zwischen einem Netzwerk pneumatischer Volumenknoten, die als N1–N7 bezeichnet sind, bezeichnet ist. Ansaugluft bei Atmosphärendruck an dem Knoten N1 strömt durch einen Frischlufteinlass 11 durch einen Luftfilter 13 und an dem Knoten N2 in einen Ansaugkanal 15. Die Ansaugluft wird über ein Drosselklappengehäuse 17 durchgesaugt, in welchem ein Ansaugluftventil 19 in Form einer Drosselklappe deren Stellung manuell oder elektronisch gesteuert wird, um die Drosselung der Ansaugluft, die durch das Drosselklappengehäuse und in den Ansaugkanal 21 zum Einströmen in den Ansaugkrümmer 23 an dem Knoten N3 strömt, zu variieren, drehbar angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform ist ein herkömmlicher Druckumformer 24 einem Gasdruck in dem Ansaugkrümmer 23 ausgesetzt und formt einen solchen Druck in ein Ausgangssignal MAP um.
Einzelne Zylinderansaugrohre, ein Rohr 25 ist in 1 veranschaulicht, öffnen sich in den Ansaugkrümmer 23 und in die Brennkammer der jeweiligen Motorzylinder hinein, wobei eine Brennkammer 31 eines entsprechenden Zylinders 30 in 1 gezeigt ist. Jeder Zylinder, wie z. B. der Zylinder 30, umfasst eine Brennkammer, wie z. B. die Brennkammer 31, und ein Kurbelgehäuse, wie z. B. das Kurbelgehäuse 33, die durch einen Kolben wie z. B. den Kolben 34, der mit der Wand des Zylinders 30 im Wesentlichen dichtend in Eingriff steht, getrennt sind. Eine Quantität an Kraftstoff wird über eine herkömmliche Kraftstoffeinspritzdüse 87 in Ansprechen auf ein darauf aufgebrachtes Befehlsignal zur Kraftstoffeinspritzung in das Ansaugrohr 25 zum Mischen mit der Ansaugluft eingespritzt, wobei das resultierende Gemisch während eines Zylinderansaug-Ereignisses, während dessen ein Ansaugventil 26 in eine offene Position gelenkt wird, und während dessen in der Brennkammer 31 eine niedrige Druckbedingung herrscht, in die Brennkammer 31 hinein angesaugt wird. Das Luft-Kraftstoff-Gemisch wird während eines Verbrennungsereignisses, das von einem zeitgesteuerten Zündbogen, der über den voneinander beabstandeten Elektroden der sich in die Brennkammer 31 hinein erstre ckenden Zündkerze 32 angelegt wird, ausgelöst wird, in der Brennkammer 31 gezündet. Der Kolben 34 in dem Zylinder 30 wird unter dem effektiven Druck des Verbrennungsereignisses hin- und her bewegt, um die Fahrzeugräder, Nebenverbraucher, etc. anzutreiben, wie allgemein im Stand der Technik bekannt. Die in dem Verbrennungsvorgang in der Brennkammer 31 erzeugten Gase werden während eines Zylinderausstoß-Ereignisses aus der Brennkammer 31 und durch das Auslasskrümmerrohr 27 zu dem Auslasskrümmer 29 an dem Knoten N5 ausgestoßen. Die Abgase durchströmen den Auslasskrümmer 29 zu dem Auslasskanal 35, der zu einer Vorrichtung zur katalytischen Behandlung und zu einem Auspufftopf (im Allgemeinen als Element 37 veranschaulicht) und dann bei dem Druck des Knotens N1 in die Außenumgebung führt.
Unterdruck wird an dem Knoten N4 durch eine Leitung 49 der geschlossenen Kurbelgehäuseentlüftung (positive crankcase ventilation = PCV) mit einem Standard-PCV-Ventil selektiv 51 an dem Zylinderkurbelgehäuse 33 angelegt, wobei die PCV-Leitung zwischen dem Kurbelgehäuse 33 und dem Ansaugkanal 21 verbunden ist, wobei der Unterdruck zum Ansaugen der Durchblasegase, die unter dem Druck des Verbrennungsvorgangs aus der Zylinderbrennkammer 31 zu dem Kurbelgehäuse 33 geführt wurden, dient. Eine Zufuhr frischer Ansaugluft von dem Knoten N2 ist über eine zwischen dem Ansaugkanal 15 und dem Kurbelgehäuse 33 verbundene Frischluftleitung 63 an das Kurbelgehäuse 33 bereitgestellt. Das PCV-Ventil saugt die Durchblasegase selektiv aus dem Kurbelgehäuse an, zum Mischen mit Ansaugluft zum Verbrauch in den Motorzylindern, um Motorsystem-Schmiermittel zu reinigen.
Ein Teil der Abgase wird an dem Knoten N5 aus dem Auslasskrümmer 29 durch eine Abgasrückführungs-(AGR)-Leitung 43 und über ein AGR-Ventil 41 vom elektronisch geregelten Typ in Ansprechen auf ein AGR- Steuersignal an der Leitung 83 und weiter durch eine Leitung 45 an dem Knoten N3 in den Ansaugkrümmer 23 hinein angesaugt, zum Mischen mit Ansaugluft zur Lieferung an die Brennkammern der Motorzylinder. Der Zustand des AGR-Ventils ist in Ansprechen auf allgemeine Betriebsbedingungen elektronisch gesteuert, wie im Stand der Technik allgemein bekannt, um die Verdünnung der frischen Ansaugluft mit im Wesentlichen inertem Abgas zu variieren, um eine Verringerung in der Motoremissionskomponente der Stickoxide (NOx) bereitzustellen.
Ein Teil der Ansaugluft wird durch die Leitungen 59 und 61 mit einem herkömmlichen Leerlaufluft-Umleitventil 60 vom Elektromagnet-Typ dazwischen, das auf ein Befehlsignal für Leerlaufluft an der Leitung 81 anspricht, um die Verengung des Ansaugluftventils 19 in dem Drosselklappengehäuse 17 unter bestimmten allgemein bekannten Regelbedingungen wie z. B. Leerlaufbetriebsbedingungen, in denen eine genaue Regelung relativ geringer Frischluft-Strömungsgeschwindigkeiten erforderlich ist, zu umgehen, geführt. Die Bremskraftverstärkerleitung 47 eines beliebigen herkömmlichen Typs öffnet sich an dem Knoten N3 in den Ansaugkrümmer 23 hinein und sorgt für einen geringen Gasstrom F₁₆ während der Betätigung eines herkömmlichen Bremspedals eines Kraftfahrzeuges (nicht gezeigt), wie im Stand der Technik gut bekannt.
Fahrzeuge, die mit gut bekannten Tankentlüftungen ausgerüstet sind, können auch einen Gasstrom durch ein Spülventil 53 und Spülleitungen 55, 57 in das Drosselklappengehäuse 17 hinein aufweisen, unterstromig gemäß der normalen Strömungsrichtung durch das Drosselklappengehäuse 17 des Ansaugluftventils 19, mit der tatsächlichen effektiven Strömung in den Ansaugkrümmer an dem Knoten N3. Ein Aktivkohlebehälter 65 setzt allgemein Kraftstoffdämpfe frei, wenn Frischluft durch die Spül-Entlüftung 67 und die Spül-Entlüftungsleitungen 69 und 71 angesaugt wird. Der Kraftstofftank 75 kann auch Kraftstoffdämpfe freisetzen, die in dem Behälter 65 aufgenommen werden können, die dadurch freigesetzt werden können, oder die an dem Knoten N6 zusammen mit freigesetzten Kraftstoffdämpfen durch die Leitung 55 zum Verbrauch in dem beschriebenen Zylinderverbrennungs-Vorgang direkt in den Motor strömen können. Der Kraftstofftank 75 mit einer Kraftstoffversorgung an dem Knoten N7 darin kann eine Lecköffnung 76 aufweisen, durch die Frischluft in den Kraftstofftank eintreten kann. Ein herkömmlicher Druckmessumformer 78 ist in dem Kraftstofftank 75 angeordnet, um den Druck innerhalb des Tanks in ein Ausgangssignal FP umzuformen. Kraftstoffdampf strömt aus dem Kraftstofftank 75 durch eine herkömmliche Überschlagsöffnung 92 und über die Tank-Dampfrückgewinnungsleitung 73 zu dem Behälter 65.
Zwischen den oben beschriebenen Knoten sind Strömungswege umfassend den Strömungsweg F₁ über den Luftfilter 13 zwischen den Knoten N1 und N2, den Strömungsweg F₂ entlang der PCV-Frischluftleitung 63 zwischen den Knoten N2 und N4, den Strömungsweg F₃ durch das Drosselklappengehäuse 17 über das Ansaugventil 19 von dem Knoten N2 zu dem Ansaugkanal 21, den Strömungsweg F₄ durch die Leerlaufluft-Umleitungsleitungen 59 und 61, den Strömungsweg F₅ durch das Ansaugrohr 25 zwischen dem Knoten N3 und der Zylinderbrennkammer 31, den Strömungsweg F₆ zwischen der Brennkammer und dem Kurbelgehäuse (Knoten N4) eines Motorzylinders 30, den Strömungsweg F₇ zur Außenumgebung an dem Knoten N1 durch die Vorrichtung zur katalytischen Behandlung und Auspufftopfelemente 37 und Auslasskanäle 35 und 39, den Strömungsweg F₈ durch die AGR-Leitungen 43 und 45 zwischen dem Knoten N5 und dem AGR-Ventil 41, den Strömungsweg F₉ durch die PCV-Leitung 49 zwischen dem Knoten N4 und dem Ansaugkanal 21 (effektiv an dem Knoten N3), den Strömungsweg F₁₀ durch die Leitung 55 zwischen dem Knoten N6 und dem Drosselklappengehäuse 17 (effektiv an dem Kno ten N3), den Strömungsweg F₁₁ durch die Lecköffnung 76 in den Kraftstofftank 75 zwischen den Knoten N1 und N7, den Strömungsweg F₁₂ von dem Kraftstofftank 75 über die Überschlagsöffnung 92 und durch die Leitung 73 zwischen den Knoten N7 und N6, den Strömungsweg F₁₃ über die Spül-Entlüftung 67 in den Spülbehälter 65 zwischen den Knoten N1 und N6, den Kraftstoffverdunstungs-Strömungsweg F₁₅ innerhalb des Kraftstofftanks 75 und den Strömungsweg F₁₆ durch die Bremskraftverstärkerleitung 47 zwischen dem Bremssystem (nicht gezeigt) und dem Knoten N3.
Bezug nehmend auf 2 umfasst eine allgemeines Darstellung, die eine Motorsystemsteuerung und -diagnostik veranschaulicht, ein Motorsystem 210 wie z. B. das Motorsystem von 1 mit verschiedenen Parametern, die durch verschiedene herkömmliche Sensoren 212 in Signale umgeformt werden, die an eine Steuereinheit 214 angelegt werden, die eine Sequenz von Zustandsschätzoperationen zum Schätzen interessierender Drücke an bestimmten von den Knoten von 1, wie z. B. an den Knoten N3, N5, N6 und N7 in dieser Ausführungsform, und zum Bestimmen von Massenströmungsgeschwindigkeiten an bestimmten von den Strömungsverzweigungen von 1 wie z. B. den Strömungsverzweigungen F₃, F₄, F₅, F₇, F₈, F₁₀, F₁₁, F₁₂, F₁₃ und F₁₅ in dieser Ausführungsform durchführt. Ein Zustandsmodell 218 zum Modellieren solcher Drücke und Ströme ist in der Zustandsschätzfunktion 216 umfasst. Druck- und Strömungsausgänge werden von der Zustandsschätzfunktion 216 an verschiedene Steuerungen 220 geliefert, z. B. zum Steuern der Kraftstoffzufuhr, des Ansaugluftdurchsatzes, des AGR-Durchsatzes, und der verschiedenen Diagnoseoperationen 222 zur Diagnose bestimmter Motorsteuerungs-Systeme mit Hilfe der Druck- und Strömungsinformationen. Die Steuerungen 220 geben Steuersignale aus, um verschiedene Motorsystemsteuerungs-Betätigungsorgane 226 wie z. B. Kraftstoffeinspritzdüsen 87 (1), Luft-Steuerventile 19 und 60 (1), das AGR-Ventil 41, etc. gemäß allgemein verfügbarer Steuerstrategien anzusteuern. Ferner können manuelle Bedienereingaben auf solche Betätigungsorgane aufgebracht werden, wie im Stand der Technik allgemein bekannt ist. Die Diagnoseeinrichtungen 222 interagieren mit den Steuerungen gemäß Standard-Steuerungs- und -Diagnoseoperationen und können Diagnoseinformationen an die verschiedenen herkömmlichen Anzeigeeinrichtungen 224 wie z. B. Lampen oder Summer liefern. Die Steuereinheit 214 besitzt in dieser Ausführungsform die Form eines herkömmlichen Ein-Chip-Mikrocontrollers und umfasst solch herkömmliche Elemente wie eine Zentraleinheit, ein Eingabe-Ausgabe-Gerät, und Speichermodule mit Direktzugriffs-RAM-Speichermodulen, Nurlese-ROM-Speichermodulen und weitere Standardelemente.
Bezug nehmend auf die 3 und 4 veranschaulichen Flussdiagramme einen Fluss von Startoperationen, sowie Steuerungs- und Diagnoseoperationen zur Durchführung der Schätz- und Korrekturoperationen dieser Ausführungsform im Detail Schritt für Schritt, wobei die Operationen durch die Steuereinheit 214 von 2 durchgeführt und in Form eines in einem ROM-Modul der Steuereinheit gespeicherten Satzes von Befehlen realisiert werden. Die Operationen liefern Druckschätzungen an den Knoten N3, N5, N6 und N7 von 1 durch Schätzung des Massenstroms in und aus solche/n Knoten und zur Schätzung und Korrektur bestimmter Drücke, die den Atmosphärendruck an dem Knoten N1, wenn widersprüchliche Strömungsinformationen an einem Knoten identifiziert werden, umfassen.
Insbesondere werden beim Anlegen von Zündleistung an die Steuereinheit von 2 beim Starten eines Motorsystem-Zündzyklus wie z. B., wenn ein Bediener eines Motorsystems einen Zündzylinder auf eine "ein"-Stellung dreht, die Operationen in 3 initiiert, die bei einem Schritt 300 begin nen und zu einem nächsten Schritt 302 fortschreiten, bei dem ein Signal MAP von dem Umformer 24 von 1 als eine Anzeige des aktuellen Gasdrucks in dem Auslasskrümmer 23 von 1 abgetastet wird, und ein Signal FP von dem Umformer 78 von 1 als eine Anzeige des aktuellen Dampfdrucks des Kraftstofftanks 75 (1) abgetastet wird. Die Druck- und Strömungsschätzinformationen werden als Nächstes bei Schritt 304 wie folgt initialisiert:
worin P_at(t) der geschätzte Atmosphärendruck zu der Zeit t, P_im(t) der geschätzte Ansaugkrümmerdruck an dem Knoten N3 (1) zu der Zeit t, P_em(t) der geschätzte Auslasskrümmerdruck an dem Knoten N5 zu der Zeit t, P_ec(t) der geschätzte Druck des Aktivkohlebehälters 65 (1) an dem Koten N6 zu der Zeit t, P_ft(t) der geschätzte Kraftstofftankdruck an dem Knoten N7 (1) zu der Zeit t, f_thr(t) die Gasströmungsgeschwindigkeit über das Luftventil 19 von 1 (Strömungsverzweigung F₃) zu der Zeit t, f_iac(t) die Gasströmungsgeschwindigkeit über das Umleitventil 60 von 1 (Srömungsverzweigung F₄) zu der Zeit t, f_egr(t) die Gasströmungsgeschwindigkeit durch die AGR-Leitung 43 von 1 (Strömungsverzweigung F₈) zu der Zeit t, f_eng(t) der Gasstrom durch das Motorzylinderansaugrohr 25 von 1 (Strömungsverzweigung F₅) zu der Zeit t, f_exh(t) der Gasstrom durch den Auslasskanal 35 von 1 (Strömungsverzweigung F₇) zu der Zeit t, f_prg(t) der Gasstrom über das Spülventil 53 von 1 (Strömungsverzweigung F₁₀) zu der Zeit t, f_rol(t) der Gasstrom über die Überschlagsöffnung 92 von 1 (Strömungsverzweigung F₁₂) zu der Zeit t, f_lv(t) die Gasverdunstung und der Leck-Strom innerhalb des Kraftstofftanks 75 von 1 (Strömungsverzweigungen F₁₁ und F₁₅) zu der Zeit t, f_vnt(t) der Gasstrom durch das Spül-Entlüftungsventil 67 von 1 (Strömungsverzweigung F₁₃) zu der Zeit t ist, und worin t aktuell auf Null gesetzt ist (ein Motorstart).
Zurück kommend auf 3 werden nachfolgend auf spezielle Druck- und Strömungsinitialisierungsoperationen bei Schritt 304, bei einem Schritt 308 beliebige erforderliche allgemeine Initialisierungsoperationen, umfassend so gut bekannte Start-Operationen wie Operationen zum Freimachen von Speicherplätzen, um Daten und Programmbefehle von ROM-Modulen zu RAM-Modulen zu übertragen, und Zeiger, Zähler und Konstanten auf Anfangswerte zu setzen, durchgeführt. Es sollte hervorgehoben werden, dass es erforderlich sein kann, die Operationen von Schritt 308 vor dem Schritt 304 durchzuführen. Bei einem Schritt 310 werden als Nächstes zahlreiche zeit- und ereignisbasierte Unterbrechungen aktiviert, die auf bestimmte Zeitintervalle folgend oder auf bestimmte Motorsystem-Ereignisse wie z. B. obere Zylindertotpunkt-Ereignisse folgend auftreten, wobei Unterbrechungs-Unterhaltungsoperationen auf solche Unterbrechungen folgend durchgeführt werden, um für eine synchrone und asynchrone Motorsystemsteuerung sowie Diagnose- und Wartungsoperationen zu sorgen. Dann werden bei einem nächsten Schritt 312 Hintergrundoperationen, umfassend allgemeine Wartungs- und Diagnoseoperationen geringer Priorität durchgeführt, die Operationen zur Diagnose des Motorsystems durch Anwendung der von der Zustandsschätzfunktion 216 von 2 bereitgestellten Informationen über die pneumatische Zustandsschätzung umfassen.
Unter Bezugnahme auf 4 ist eine Reihe von Operationen zur Unterhaltung einer Unterbrechung, die in dieser Ausführungsform eine stan dardmäßige zeitsteuerungsbasierte Unterbrechung ist, die alternativ aber auch eine ereignisbasierte Unterbrechung, z. B. folgend auf obere Motorzylindertotpunkt-Ereignisse, sein kann, Schritt für Schritt detailliert, zur Ausführung folgend auf das Auftreten einer bei dem beschriebenen Schritt 310 von 3 aktivierte Unterbrechung. In dieser Ausführungsform ist eine solche zeitsteuerungsbasierte Unterbrechung derart eingestellt, dass sie ca. alle fünf bis zehn Millisekunden auftritt, während die Steuereinrichtung 214 von 2 von einem Bediener des Motorsystems manuell aktiviert wird. Die Reihe von Operationen beginnt folgend auf jedes Auftreten einer solchen Unterbrechung, nach dem vorübergehenden Einstellen jeglicher laufender Steuereinheits-Operationen geringerer Priorität in einer vorbestimmten Prioritätshierarchie bei einem Schritt 400, und schreitet bei einem Schritt 402 weiter, um Eingangssignale, umfassend die Signale MAP, TP, RPM und FP von 1, abzutasten. Als Nächstes werden bei einem Schritt 404 Temperaturschätz-Operationen durchgeführt, umfassend Operationen zum direkten Messen oder Schätzen einer Gastemperatur an verschiedenen Knoten innerhalb des Motorsystems von 1, die die Knoten N1, N3, N5, N6, und N7 von 1 umfassen. Zum Beispiel können die Temperaturschätz-Operationen bei dem Schritt 404 an solchen Knoten durchgeführt werden.
Zurück kommend auf 4 werden interessierende Gasstromschätzungen als Nächstes bei einem Schritt 412 wie folgt durchgeführt:

worin der Term f_lv(-1) auf Null erstbelegt ist, wie z. B. bei dem vorhergehenden Schritt 304, und die Gasmassenströmungsgeschwindigkeit an der Strömungsverzweigung F₁₅ (1), mit dem Term f_lv(t) belegt, wie folgt bestimmt wird:
wobei FP(t) der umgeformte Kraftstoffdampfdruck innerhalb des Kraftstofftanks 75 (1) zu der Zeit t ist, und worin
eine kalibrierte dreidimensionale Nachschlagtabelle mit Einträgen ist, die einen Standard-Gasstrom durch das Ansaugluftventil 19 (1) darstellen,
eine kalibrierte dreidimensionale Nachschlagtabelle mit Einträgen ist, die einen Standard-Gasstrom durch das Umleitventil 60 (1) darstellen,
eine kalibrierte dreidimensionale Nachschlagtabelle mit Einträgen ist, die einen Standard-Gasstrom durch das AGR-Ventil 41 (1) darstellen,
eine kalibrierte dreidimensionale Nachschlagtabelle mit Einträgen ist, die einen Standard-Gasstrom durch das Ansaugrohr 25 (1) darstellen,
eine kalibrierte dreidimensionale Nachschlagtabelle mit Einträgen ist, die einen Standard-Gasstrom durch den Motorauslasskrümmer 29 (1) darstellen,
eine kalibrierte dreidimensionale Nachschlagtabelle mit Einträgen ist, die einen Standard-Gasstrom durch das Spül-Magnetventil 53 (1) darstellen,
eine kalibrierte zweidimensionale Nachschlagtabelle mit Einträgen ist, die einen Standard-Gasstrom durch die Überschlagsöffnung 92 (1) darstellen,
eine kalibrierte zweidimensionale Nachschlagtabelle mit Einträgen ist, die einen Standard-Gasstrom durch das Behälterspül-Entlüftungsventil 67 (1) dar stellen, h die Iterationsgeschwindigkeit des Schritts 412 ist, die in dieser Ausführungsform etwa eine Iteration alle fünf bis zehn Millisekunden beträgt, K_tv eine kalibrierte Verstärkung ist, und worin die Dichtekorrekturwerte Cp(.) und Ct(.) zweidimensionale Standard-Nachschlagtabellen mit Einträgen von Korrekturwerten sind, die, wie die oben stehenden Standardstrom-Tabellen in ROM-Modulen der Steuereinheit 214 von 2, z. B. in Form von Standard-Nachschlagtabellen gespeichert sind, wobei solche Einträge durch Standard-Kalibrationsverfahren bestimmt werden, die physikalische Grundprinzipien, anwenden, die dem Fachmann bekannt sind, um eine Gasdichte für die oberstromigen Ist-Druck- und -Temperaturbedingungen, die Cp(.)-Einträge, die in solchen Tabellen gespeichert und daraus als eine Funktion des oberstromigen Gasdrucks in einer CP-Nachschlagtabelle bezogen werden, und die Ct(.)-Einträge, die in solchen Tabellen gespeichert und daraus als eine Funktion der oberstromigen Gastemperatur, wie bei dem beschriebenen Schritt 404 gemessen oder geschätzt, bezogen werden, zu korrigieren. Die unabhängige Variable eines jeden Cp(.)- und Ct(.)-Elements in den Strömungsgleichungen des oben stehenden Schrittes 412 zeigt den/die geschätzte/n Druck oder Temperatur, an, der/die als ein Index in der jeweiligen Tabelle verwendet wird, um den entsprechenden Korrekturwert zurückzusetzen.
Zurück kommend auf 4, werden die bei Schritt 412 bestimmten Strömungsschätzungen als Nächstes angewendet, um den Netto-Strom eines jeden interessierenden Knotens innerhalb des Motorsystems von 1 zu bestimmen. Der Netto-Gasstrom durch den Ansaugkrümmer 23 (1) fnet im(t) ist bestimmt als
Der Netto-Gasstrom durch den Auslasskrümmer fnet em(t) ist bestimmt als
Der Netto-Gasstrom durch den Aktivkohlebehälter fne tec(t) ist bestimmt als
Der Netto-Gasstrom durch den Kraftstofftank 75 (1) fnet ft(t) ist bestimmt als
Die Netto-Strom- und Druckschätzinformationen werden als Nächstes bei einem Schritt 416 angewendet, um Druckänderungsschätzungen an dem Ansaugkrümmer 23, dem Auslasskrümmer 29, dem Aktivkohlebehälter 65 und dem Kraftstofftank 75, alle von 1, durch die folgenden entsprechenden Gleichungen zu aktualisieren:
worin C_im eine pneumatische Kapazität des Ansaugkrüimmers ist, bestimmt als
worin R die allgemein bekannte universelle Gaskonstante ist, T_im(t) die geschätzte oder bestimmte Ansaugkrümmer-Gastemperatur zu der Zeit t ist, und V_im(t).das gemessene Ansaugkrümmervolumen ist, C_em eine pneumatische Kapazität des Auslasskrümmers ist, bestimmt als
worin T_em(t) die geschätzte oder gemessene Auslasskrümmergastemperatur zu der Zeit t ist, V_em das gemessene Auslasskrümmergasvolumen ist, L_im eine Verstärkung der Schätzfunktion für den Ansaugkrümmerzustand ist, die ein systemspezifischer Wert, welcher durch ein herkömmliches Kalibrationsverfahren bestimmt wird, ist, L_em eine Verstärkung der Schätzfunktion für den Auslasskrümmerzustand ist, die ein systemspezifischer Wert, welcher durch ein herkömmliches Kalibrationsverfahren bestimmt wird, ist, Bub im eine multiplikative Konstante ist, die eine systemspezifische obere Grenze an der Ansaugkrümmerdruckschätzung definiert, und K_ec, K_ft und L_ft systemspezifische kalibrierte Verstärkungen sind.
Die Änderung in Atmosphärendruckschätzung wird als Nächstes in Übereinstimmung mit einem wichtigen Aspekt der Erfindung über die Schritte 418–420 durch Anwendung des Netto-Gasstroms durch den Ansaug krümmer 23 (1) bestimmt, um jegliches Strömungsungleichgewicht in dem Ansaugkrümmer zu identifizieren, wobei ein jegliches derartiges Strömungsungleichgewicht einer Änderung im Atmosphärendruck von einer vorhergehenden Atmosphärendruckschätzung weg zugeschrieben wird, wodurch eine genaue Atmosphärendruckschätzung bereitgestellt werden kann, ohne den Aufwand eines zugehörigen Atmosphärendrucksensors und ohne aufwändige Kalibrationsverfahren bei verschiedenen Einsatzhöhen, wie beschrieben. Die Schätzung einer Änderung im Atmosphärendruck erfordert stabile Strömungsbedingungen durch den Ansaugkrümmer 23 (1), die dadurch gekennzeichnet sind, dass im Wesentlichen keine Befüllung oder Entleerung des Ansaugkrümmers stattfindet, der Betrieb in Bereichen stattfindet, in denen die Gasströmungsgeschwindigkeit durch den Ansaugkrümmer im Wesentlichen unempfindlich gegenüber einer Schwankung von Teil zu Teil des Drosselklappengehäuses 17 (1) ist, und der Betrieb in Bereichen stattfindet, in denen die Gasströmungsgeschwindigkeit durch das Drosselklappengehäuse 17 im Wesentlichen unempfindlich gegenüber geringen Druckschwankungen in dem Ansaugkrümmer 23 ist. Solche Bedingungen werden in dieser Ausführungsform zusammengefasst, werden bei einem Schritt 418 analysiert und müssen alle erfüllt sein, um eine Aktualisierung einer Atmosphärendruckänderung durchzuführen. Insbesondere wenn in Schritt 418:
worin UB(P_at) eine obere Druckgrenze, bestimmt als eine Funktion einer aktuellsten vorangegangenen Atmosphärendruckschätzung, ist, dann wird der Atmosphärendruck über Schritt 420 wie folgt aktualisiert:
worin K_at definiert ist als annähernd
.Alternativ, wenn bestimmt wird, dass die Eintrittsbedingungen von Schritt 418 nicht erfüllt sind, wird die Atmosphärendruckänderung bei einem nächsten Schritt 422 auf Null gesetzt. Nachfolgend auf die Bestimmung der Atmosphärendruckänderung werden die Druckänderungsschätzungen bei einem nächsten Schritt 424 integriert, wie z. B. durch einen Euler'schen Numerischen Integrationsalgorithmus, der im Stand der Technik, den diese Erfindung betrifft, allgemein bekannt ist, um Druckschätzungen an verschiedenen interessierenden Knoten des Motorsystems von 1 wie folgt zu erhalten:
worin h die Aktualisierungsgeschwindigkeit von Schritt 424 ist, die in dieser Ausführungsform etwa eine Aktualisierung alle fünf bis zehn Millisekunden beträgt, wie beschrieben. Die Schätzungen von Schritt 424 sind bestimmten Instabilitäten unterworfen, z. B. auf Grund der relativ granularen Iterationsgeschwindigkeit h, die als die höchste Iterationsgeschwindigkeit ausgewählt ist, die innerhalb der Durchsatzbeschränkungen und konkurrierenden Prioritäten der Steuereinheit, wie z. B. die Steuereinheit 214 von 2, die die Operationen von 4 durchführt, toleriert wird, um für eine möglichst große Schätz-Stabilität zu sorgen. Um die Schätz-Stabilität weiter sicherzustellen, z. B. unter Betriebsbedingungen, bei denen bestimmt wurde, dass sie z. B. auf Grund der relativ granularen Iterationsgeschwindigkeit h, unter bestimmten Instabilitäten leiden, werden die Schätzungen als Nächstes in einem Schritt 426 wie folgt begrenzt:
worin die Pseudofunktion max() das Element mit dem größten Betrag zurücksetzt, der selbst zwischen Grenzen wie z. B. zwischen 85 kPa und 105 kPa fest begrenzt ist. P_im(t + h) kann an einer oberen Betragsgrenze durch ein Druckmaximum von MAP oder einen kalibrierten Prozentsatz des Atmosphärendrucks begrenzt sein und kann an einer unteren Betragsgrenze durch ein Druckminimum von 10 kPa begrenzt sein. P_em(t + h) kann begrenzt sein, wenn bestimmt wird, dass es sich in einem instabilen Bereich im Wesentlichen knapp am Atmosphärendruck befindet, indem die Änderung in dem geschätzten Auslasskrümmerdruck von einer Aktualisierung zur Nächsten auf einen vorbestimmten Prozentsatz des Netto-Gasstroms durch den Auslasskrümmer, wie bei dem beschriebenen Schritt 414 bestimmt, beschränkt wird, und kann in jedem Fall auf keinen niedrigeren Druck als den Atmosphärendruck begrenzt sein. P_ec(t + h) und P_ft(t + h) sind zwischen voreingestellten Druckgrenzwerten, die als systemspezifische kalibrierte Werte festgelegt sein können, begrenzt.
Nach dem Begrenzen der Druckschätzungen bei Schritt 426 werden die durch die Schritte von 4 bestimmten aktualisierten Temperatur-Druck- und Strömungsinformationen in einem Standard-Speichermodul der Steuereinheit 214 (2), wie z. B. einem herkömmlichen RAM-Modul als die aktuellsten Temperatur-, Druck- und Strömungsinformationen zur Verwendung in den Steuerungs- und Diagnoseoperationen des Motorsystems gespeichert, und zur Verwendung in der nächsten Iteration der Operationen von 4, während der gespeicherte Werte in der für die Schritte 402 bis 426 beschriebenen Weise aktualisiert werden. Als Nächstes werden bei Schritt 430 herkömmliche Steuerungs- und Diagnoseoperationen durchgeführt. Solche Operationen umfassen z. B. Operationen zum Bestimmen und Liefern einer Ausgabe eines Kraftstoffeinspritzdüsen-Ansteuerbefehls an der Leitung 87 von 1 als eine Funktion der geschätzten Gasströmungsgeschwindigkeit entlang der Strömungsverzweigung F5 von 1, eines Leerlaufluft-Befehls an Leitung 81 von 1 als eine Funktion einer manuellen Bedienereingabe und einer geschätzten Gasströmungsgeschwindigkeit in den Ansaugkrümmer über den Strömungsweg F4, eines Behälter-Spülventilstellungs-Befehls an Leitung 85 von 1 als eine Funktion der Gasströmungsgeschwindigkeit entlang der Strömungsverzweigung F10, eines AGR-Ventilstellungs-Ansteuerbefehls an Leitung 83 von 1 als eine Funktion des Gasstroms entlang der Strömungsverzweigung F8, etc. Herkömmliche Diagnoseoperationen wie z. B. Operationen zur Diagnose der Betriebsbereitschaft der Ventile 19, 60, 41, 67 und der Öffnung 92 können ferner bei Schritt 430 unter Verwendung der durch die Operationen von 4 bestimmten Temperatur-, Druck- und Strömungsinformationen durchgeführt werden.
Nachfolgend auf solche Steuerungs- und Diagnoseoperationen werden die Operationen von 4 durch Zurückkehren über einen nächsten Schritt 432 zu irgend welchen der vorangegangenen Operationen, die vorüberge hend eingestellt worden sein können, um dafür zu sorgen, die Unterbrechung zu unterhalten, die die Ausführung der Operationen von 4 ausgelöst hat, beendet. Die Operationen von 4 werden nachfolgend auf bestimmte Ereignisse, z. B. Motorzylinder-Ereignisse, oder nachfolgend auf bestimmte Zeitperioden zum Aktualisieren der Temperatur-, Strömungs- und Druckschätzungen auf die oben stehend beschriebene Weise, und um in Ansprechen auf solche Schätzungen eine Steuerung und Diagnose bereitzustellen, wiederholt. Die Erfinder beabsichtigen, dass weitere Operationen zum Korrigieren von Druck- oder Strömungsschätzungen oder von Änderungen in Druck- oder Strömungsschätzungen bereitgestellt werden können, indem die Schätzoperationen von 4 auf weitere pneumatische Zustände innerhalb eines Motorsystems ausgedehnt werden. In der Tat ist nicht beabsichtigt, dass die bevorzugte Ausführungsform die Erfindung begrenzt oder einschränkt, da viele Abwandlungen durch Praktizieren des herkömmlichen Standes der Technik vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

Verfahren zum Schätzen pneumatischer Zustände, die einen Gasdruckzustand in einem Verbrennungsmotor-System (10) umfassen, das als ein Netzwerk pneumatischer Knoten mit einer Vielzahl von Gasströmungsverzweigungen dazwischen dargestellt, das die Schritte umfasst: Auswählen eines ausgewählten pneumatischen Knotens innerhalb des Motorsystems (10), durch den Gase entlang zumindest zwei Gasströmungsverzweigungen strömen; Schätzen eines Gasmassenstroms entlang der zumindest zwei Gasströmungsverzweigungen; Berechnen eines Netto-Gasmassenstroms an dem ausgewählten pneumatischen Knoten als eine Funktion des geschätzten Gasmassenstroms durch die entsprechenden Gasströmungsverzweigungen; Schätzen eines geschätzten Gasdruckes an einem vorbestimmten pneumatischen Knoten als eine Funktion des berechneten Netto-Gasmassenstroms; und Berechnen eines korrigierten geschätzten Gasdruckes an dem vorbestimmten pneumatischen Knoten als eine Funktion des geschätzten Gasdruckes.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend die Schritte: Erzeugen eines Motorsteuerungsbefehls als eine Funktion des geschätzten Gasdruckes; und Steuern eines Motorbetriebes in Übereinstimmung mit dem Motorsteuerungsbefehl.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend den Schritt: Schätzen eines Gasdruckes für zumindest zwei der pneumatischen Knoten.
Verfahren nach Anspruch 3, ferner umfassend den Schritt: Steuern des Motorbetriebes in Ansprechen auf den korrigierten geschätzten Druck.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei zumindest zwei der pneumatischen Knoten ein pneumatischer Knoten (N3) eines Ansaugkrümmers und ein äußerer pneumatischer Knoten (N1) sind, wobei der ausgewählte pneumatische Knoten der pneumatische Knoten (N3) des Ansaugkrümmers ist, und wobei der vorbestimmte pneumatische Knoten der äußere pneumatische Knoten (N1) ist.
Verfahren nach Anspruch 3, ferner umfassend den Schritt: Schätzen eines Gasdruckes an einem pneumatischen Knoten (N5) eines Auslasskrümmers, wobei der ausgewählte pneumatische Knoten der pneumatische Knoten (N5) des Auslasskrümmers ist und wobei der vorbestimmte pneumatische Knoten der pneumatische Knoten (N5) des Auslasskrümmers ist.
Verfahren nach Anspruch 3, ferner umfassend die Schritte: Bestimmen eines aktuellen Betriebszustandes eines Motorsystems; Bereitstellen eines erwarteten Netto-Gasmassenstroms an dem ausgewählten pneumatischen Knoten für den aktuellen Betriebszustand des Motorsystems (10); wobei der Schritt des Schätzens des Gasmassenstroms den Gasmassenstrom durch die entsprechenden Gasmassenströmungswege bei dem aktuellen Betriebszustand des Motorsystems schätzt; und Bestimmen einer Netto-Gasmassenstromabweichung als eine Funktion einer Differenz zwischen dem berechneten Netto-Gasmassenstrom und dem erwarteten Netto-Gasmassenstrom; und wobei der korrigierende Schritt den geschätzten Druck als eine Funktion der Netto-Gasmassenstromabweichung korrigiert.
Verfahren nach Anspruch 7, ferner umfassend den Schritt: Erkennen, wenn der aktuelle Betriebszustand des Motorsystems ein stationärer Betriebszustand ist, der dadurch gekennzeichnet ist, dass im Wesentlichen keine Ansammlung oder Abreicherung von Gas an dem ausgewählten pneumatischen Knoten stattfindet; wobei der korrigierende Schritt die Druckschätzung als eine Funktion der Netto-Gasmassenstromabweichung korrigiert, wenn der aktuelle Betriebszustand des Motorsystems als ein stationärer Betriebszustand erkannt wird, und wobei der erwartete Netto-Gasmassenstrom annähernd Null ist.