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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors,
um den Austritt von schädlichen
Gasen auf einem Minimum zu halten.
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Es
ist hinreichend bekannt, dass Verbrennungsmotoren schädliche Gase
als Nebenprodukte der Verbrennung erzeugen, darunter die Oxide des Stickstoffs
wie NO und NO2, die als NOx bezeichnet werden.
Unter dem Gesichtspunkt des Umweltschutzes ist es zweifellos wünschenswert,
die Menge schädlicher
Gase zu begrenzen, die während
eines Verbrennungstaktes des Motors erzeugt werden. Im Laufe der
Jahre haben verschiedene Umweltbehörden Abgasnormen für Verbrennungsmotoren
vorgeschrieben. Diese Normen sind allmählich immer strenger geworden.
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Ein
allgemein üblicher
Ansatz zur Erfüllung dieser
Abgasnormen betrifft die Verwendung eines Katalysators, der mit
dem Auspuff des Motors verbunden ist. Dieser Katalysator führt im Wesentlichen eine
Reinigung des vom Motor emittierten Abgases durch. Es gibt aber
eine Grenze des Umfangs der Reinigung, die ein typischer Katalysator
erzielen kann, die im Fall der gewünschten NOx-Reduktionsreaktionen
durch den im Dieselabgas inhärenten übermäßigen O2-Gehalt beeinflusst wird. (Siehe z.B. US
Patent 5,839,274).
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Bei
einem anderen Ansatz kann eine Fraktion des Abgases zum Ansaugladefluss
des Motors (Luft + EGR) unter Verwendung eines bekannten Abgasrückführungssystems
(exhaust gas recirculation – EGR)
rückgeführt werden.
Dieses Verfahren der Abgasrückführung verringert
die NOx-Komponente des Abgases erheblich, indem ein Teil des überschüssigen Ansauglade-Sauerstoffs
(Luft + EGR) durch inerte Verbrennungsprodukte ersetzt wird, wodurch
die die NOx-Bildung fördernde
Spitzenverbrennungstemperatur und die übermäßige Verfügbarkeit von 02 für den nachfolgenden
Verbrennungsprozess begrenzt werden; allerdings kann das EGR-System
die Schadstoffe im Motorabgas nur verringern, aber nicht vollständig beseitigen.
Der inhärente
Kompromiss zwischen NOx-Bildung und Partikelbildung/Oxidationsprozess
verlangt eine Optimierung, die in der geforderten Einhaltung der
Abgasvorschriften beim besten Gesamtleistungsgrad für den Motornutzer
resultiert. Der Optimierungsprozess wird durch höhere Freiheitsgrade der Hardware
und Software (Steuerung), die dem Motorentwickler zur Verfügung stehen,
und komplexere einzuhaltende Anforderun gen seitens der Behörden kompliziert.
(Siehe z.B. US Patent 5,426,934 und US Patent 5,329,764).
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Ein
weiterer Ansatz ist die Optimierung des Luft-/Kraftstoffverhältnisses,
das letztendlich den Verbrennungsprozess optimieren kann. Eine optimierte
Verbrennung kann die schädlichen
Abgase eines Verbrennungsmotors erheblich verringern.
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Die
Dokumente
DE 35 00
594 A1 und
DE
43 41 874 A1 offenbaren ein Verfahren und ein System zum
Steuern oder zur Beeinflussung des Betriebsgemisches eines Verbrennungsmotors.
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Obwohl
zahlreiche System entwickelt worden sind, um die Abgasvorschriften
zu erfüllen,
werden diese Systeme häufig
durch neue schärfere
Abgasvorschriften überholt.
Darüber
hinaus wird die Fähigkeit
eines bestimmten Systems, schädliche
Abgase gleichbleibend zu reduzieren, durch die Zustandsverschlechterung
der Komponenten dieses System beeinträchtigt. Des Weiteren hängt die
Leistung jedes Schadstoffverringerungssystems von den Umgebungsbedingungen
ab, d.h. der Temperatur der Frischluft, dem Druck und der Feuchte.
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In
Anbetracht dieser Schwierigkeiten bleibt ein anhaltendes Bedürfnis für ein Abgasreinigungs-/-neutralisierungssystem
und/oder ein Verfahren, die sich diesen sich ändernden Anforderungen anpassen
können,
bestehen.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Steuerung eines
Verbrennungsmotors bereitzustellen, um das Ausmaß bestimmter Schadstoffe im
Motorabgas zu verringern.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Diese
Aufgabe wird durch das im Anspruch 1 beschriebene Verfahren gelöst. Bevorzugte
Merkmale der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Es
wird ein Steueralgorithmus mit geschlossenem und/oder offenem Regelkreis
verwendet, um eines oder mehrere Ausgleichmittel zu steuern, wobei
jedes Ausgleichmittel einem steuerbaren Motorbetriebsparameter entspricht,
der bei einer Änderung eine Änderung
der NOx-Emissionen bewirkt. Die Ausgleichmittel können beispielsweise
der Beginn der Einspritzung, die Position der Turbine mit veränderlicher
Geometrie, die Öffnung
des Abblasventils bzw. der Abgasdrossel oder andere Motorbe triebsparameter,
die einen Einfluss auf die Zusammensetzung und Menge der Schadstoffe
im Motorabgas haben, sein.
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Beim
Ansatz mit geschlossenem Regelkreis wird der Massendurchsatz des
NOx mit einem vorgegebenen Ziel verglichen, um einen Delta-Wert
zu erhalten. Dieser Delta-Wert
wird einem PID-Regler übergeben,
um eine entsprechende Änderung
eines oder mehrerer der Ausgleichmittel zu erzeugen. Bei bestimmten
Ausführungsformen
kann dieser Änderungswert
direkt an entsprechende Motorsteuerungsroutinen in einem Motorsteuerungsmodul
(engine control module – ECM)
geliefert werden.
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Ein
Vorteil des Systems und des Verfahren der vorliegenden Erfindung
ist, dass sie die Vorzüge der
Ansätze
mit offenen und geschlossenen Regelkreisen vereinigen. Ein weiterer
Vorteil ist, dass das erfindungsgemäße System eine Zustandsverschlechterung
der Motorkomponenten berücksichtigen
und problemlos modifizieren kann, um strengere Abgasvorschriften
zu erfüllen.
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Bei
anderen Ausführungsformen
wird ein Ansatz mit offenem Regelkreis angewendet, in dem vorgegebene
Beziehungen zwischen einem oder mehreren steuerbaren Motorbetriebsparametern
oder Ausgleichmittel und Änderungen
in einem Maß der schädlichen
Abgase erzeugt werden. Beim Ansatz mit offenem Regelkreis wird ein
aktueller Wert mit einem Nennwert verglichen, z.B. einen Wert, der
die die Emissionen regelnden Vorschriften betrifft. Die Änderung
dieses Wertes kann entsprechend einer vorgegebenen Beziehung zwischen
der Änderung des
Betriebsparameters und der resultierenden Änderung im Emissionsausmaß ausgewertet
werden. Diese Beziehung ergibt dann einen NOx-Delta-Wert entsprechend
dieser Änderung
im Emissionsausmaß.
Beim Ansatz mit offenem Regelkreis wird also das aktuelle Maß des NOx
im Wesentlichen aus den aktuellen Werten der Motorbetriebsparameter
abgeleitet. Dies steht im Gegensatz zur Vorgehensweise mit geschlossenem
Regelkreis, die sich auf die Erzeugung eines aktuellen Maßes der
betreffenden Abgase stützt
und dieses aktuelle Maß mit
einem Befehlswert vergleicht.
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Bei
einer Ausführungsform,
die den Ansatz mit offenem Regelkreis verwendet, wird nur ein solcher
Motorbetriebsparameter oder ein solches Ausgleichmittel erfasst
und zur Erzeugung eines NOx-Delta-Wertes herangezogen. Bei anderen
Ausführungsformen
können
zwei oder mehr Motorbetriebsparameter verwendet werden, um zwei
oder mehr Emissions-Delta-Werte auf Basis entsprechender vorgegebener
Beziehungen zu erzeugen. Bei einem Aspekt der Erfindung sind die
Emissions-Delta-Werte normalisierte Werte, so dass sie ohne Rücksicht
auf den auslösenden
Betriebspara meter eine Aussage hinsichtlich des Einflusses auf die
Abgase liefern. Bei dieser Ausführungsform
können
also die mehrfachen Emissions-Delta-Werte zu einem zusammengesetzten
Delta-Wert kombiniert werden. Dieser zusammengesetzte Wert kann
das auf das Inverse der vorgegebenen Beziehung für ein gewünschtes Ausgleichmittel angewendet
werden, um einen Änderungsbefehl
für dieses
Mittel zu bestimmen.
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Weitere
Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
und den beiliegenden Figuren.
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BESCHREIBUNG
DER FIGUREN
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1 ist
ein Flussdiagramm, das die Schritte einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung darstellt.
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2 ist
ein mathematisches Blockdiagramm, das nähere Einzelheiten zum Flussdiagramm
von 1 bietet.
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3 ist
ein mathematisches Blockdiagramm einer in 2 dargestellten
PID-Komponente des
Systems.
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4 ist
ein Graph einer Ausgleichsfunktion in Beziehung zu einer Steuer-/Rückführungsvariablen,
in diesem Fall die Fraktion des angesaugten Sauerstoffs, gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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5 ist
ein Graph einer vorgegebenen Beziehung zwischen der Änderung
des Betriebsparameters und der resultierenden Änderung des Emissionsausmaßes, in
diesem Fall die Änderung
der Ladetemperatur (Luft + EGR).
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6 ist
eine weitere Ausgleichsfunktion bezogen auf die Änderung des Beginns der Einspritzung
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZFUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Zum
Zwecke des besseren Verständnisses der
Prinzipien der Erfindung wird nunmehr auf die in den Zeichnungen
dargestellten Ausführungsformen verwiesen
und zur deren Beschreibung eine spezielle Terminologie verwendet.
Dessen ungeachtet versteht es sich, dass damit keine Einschränkung des Anwendungsbereichs
der Erfindung beabsichtigt ist. Die Erfindung enthält jegliche Änderungen
und weiteren Modifikationen der dargestellten Geräte und Vorrichtungen
und der beschriebenen Verfahren sowie weitere Anwendungen der Prinzipien
der Erfindung, wie sie sich für
einen Fachmann, an den sich die Erfindung richtet, normalerweise
ergeben würden.
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Die
vorliegende Erfindung schlägt
ein System und ein Verfahren vor, die sich auf die Steuerungsstrategien
sowohl mit offenem als auch geschlossenem Regelkreis stützen. Unter
beiden Strategien wird ein von einem "Einsatzziel" diktierter Prozess durchgeführt, um
ein primäres
Ausgleichmittel (Steuerungs-/Rückkopplungsvariable)
zu bestimmen. Dieser von einem Einsatzziel diktierte Prozess regelt
das Ausgleichmittel ein, um die betreffende Abgaskomponente auf
eine solche Weise wieder in Übereinstimmung
mit den Anforderungen zu bringen, die das Einsatzziel am besten
erfüllen.
Bei der bevorzugten Ausführungsform
können
die Einsatzziele Kraftstoffersparnis, lange Lebensdauer oder instationäres Betriebsverhalten
beinhalten. Bei einem weiteren Aspekt bestimmter Ausführungsformen
der Erfindung können
die Ausgleichmittel oder Steuerungs-/Rückkopplungsvariablen den Beginn
der Einspritzung, die Lademasse (Luft + EGR), den O2-Pegel
oder die Temperatur, die Position der Turbine mit veränderlicher
Geometrie oder die Strömungsfläche des
Abblasventils bzw. der Abgasdrossel beinhalten. Natürlich können auch
anderen Steuerungs-/Rückkopplungsvariablen
verwendet werden.
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Das
Flussdiagramm von 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform
des Abgasreinigungssystems der vorliegenden Erfindung. Es versteht
sich, dass die Schritte in diesem Flussdiagramm durch Software im
Motorsteuerungsmodul (ECM) oder in einem getrennten Abgasreinigungsmodul,
das mit dem ECM kommuniziert, implementiert werden können. In ähnlicher
Weise können
die Schritte und Systeme der vorliegenden Erfindung durch eine Kombination aus
Elektronik und Software implementiert werden.
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Wie
aus dem Flussdiagramm ersichtlich ist, beginnen die Schritte des
Neutralisierungsverfahrens in einem Startpunkt 10, der
typischerweise initialisiert werden kann, wenn der Motor gestartet
wird. Im ersten Schritt 12 werden Daten von den verschiedenen Motor-
und Zustandssensoren erfasst. Diese Daten beinhalten Werte der Umgebungsbedingungen
wie Temperatur und Druck sowie Motorbetriebsparameter. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung werden die Motorbetriebsdaten von verschiedenen Sensoren
im gesamten Motor erhalten, beispielsweise von Sensoren für die NOx-Konzentration,
dem Sensor für
den Massendurchsatz der Frischluft (MAF), dem Sensor für die Temperatur
im Ansaugstutzen und dem Sensor für die Motordrehzahl. Außerdem können die
in Schritt 12 erhaltenen Daten den Kraftstoffmassendurchsatz,
den Kraftstofffaktor und das Motordrehmoment beinhalten. Das Motordrehmoment
kann z.B. aus einer Modell basierten Schätzung als Funktion der Motordrehzahl
und der Kraftstoffmenge oder von einem tatsächlichen Drehmomentsensor erhalten
werden.
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Die
vorliegende Erfindung schlägt
den Erhalt der Daten über
einen NOx-Sensor vor. Der beispielhafte Sensor dieses Typs misst
O2 und NOx im Abgas. Ein allgemein bekannter
Sensor stützt
sich auf eine elektrochemische oder katalytische Reaktion, die einen
Strom erzeugt, dessen Stärke
eine Angabe über
die Konzentration des betreffenden Gases im Abgas liefert. Bei der
am meisten bevorzugten Ausführungsform
erzeugt der NOx-Sensor ein Signal, das die Molkonzentration des
Gases im Abgas misst.
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Wie
oben erwähnt
schlägt
das Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung sowohl einen Prozess 20 mit geschlossener Regelschleife
als auch einen Prozess 40 mit offener Regelschleife vor,
um die Neutralisierung des betreffenden Abgases, in diesem Fall
NOx, zu steuern. Das Segment 20 mit geschlossenem Regelkreis
des Flussdiagramms von 1 geht von Schritt 12 zu
Schritt 22 weiter, in dem der Massendurchsatz des NOx-Gases
berechnet wird. Wie aus 2 ersichtlich ist, zieht eine
bestimmte Vorgehensweise zur Berechnung des NOx-Massendurchsatzes
bestimmte Eingangsdaten 82 heran. Speziell verwendet die
Berechnung des Massendurchsatzes den NOx-Sensorwert "NOX_PPM", der der Molkonzentration
von NOx entspricht, "MAF_LBM", der dem Frischluft-Massendurchsatz entspricht,
und "Fresh_AFR", der dem Verhältnis zwischen
Frischluft-Massendurchsatz und Kraftstoffmassendurchsatz entspricht.
Die Sensorwerte "MAF_IBM" und "Fresh_AFR" werden durch Module 90 bzw. 84 geschickt,
die die Eingangssignale zur Beseitigung eines Nullwertes verarbeiten.
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Die
Ausgabe des Moduls 84 wird dann an ein Berechnungsmodul 86 geliefert,
das zur Berechnung des Molgewichts des Abgases dient. Das Berechnungsmodul 86 verwendet
eine vorgegeben Formel, um einen Wert "M_EXH" zu erhalten, der durch ein Modul 88 geschickt
wird, um bei nachfolgenden Berechnungen das Problem aufgrund einer
Division durch null zu verhindern. Diese Werte werden dann in ein
Modul 92 zur Berechnung des Massendurchsatzes eingespeist.
Wie in 2 dargestellt wendet dieses Modul 92 eine
bestimmte Gleichung auf die Eingangsdaten an, um den NOx-Durchsatz im Motorabgas "mdotNOX1" zu berechnen. Die
Ausgabe des Moduls 92 wird durch ein Filter 96 geschickt,
auf das eine Filterkonstante 94 angewendet wird. Das Ergebnis
ist eine Ausgabe 98, nämlich "mdot_NOx", wobei es sich um
den gefilterten Massendurchsatz des NOx im Motorabgas handelt.
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Zurück zu 1:
Nachdem der Massendurchsatz des betreffenden Gases so berechnet
wurde, geht das Verfahren zu Schritt 24 weiter, in dem ein
Fehler- oder Delta- Wert
auf Basis des berechneten Massendurchsatzes des NOx relativ zu einem vorgegebenen
Referenz-(oder Ziel-)-Wert berechnet wird. Die Einzelheiten des
Schrittes sind in 2 und 3 dargestellt.
Wie in 2 dargestellt wird die aufbereitete Ausgabe des
Filters 96 als Messeingabe 108 an einen Proportional-Integral-Ableitungs-(PID-)-Regler 110 gelegt.
Außerdem
werden die Motornutzleistung (brake horsepower – BHP) und der bremsspezifische
NOx-Referenzwert verwendet, um einen Befehlswert des NOx-Massendurchsatzes 107 für den PID-Regler 110 zu
erzeugen. Im Einzelnen wird die Nutzleistung aus einer Logik erhalten, die
die Motornutzleistung aus der Motordrehzahl, dem Kraftstoffdurchsatz
und anderen erfassten oder abgeleiteten das Drehmoment beeinflussenden
Bedingungen in einem der Eingaben 82 des in 2 dargestellten
Systems 80 mit geschlossenem Regelkreis schätzt (oder
direkt von einem Drehmomentsensor, falls vorhanden). Wie in der
Fig. dargestellt kann der BHP-Wert durch ein Modul 100 geschickt werden,
um eine Bedingung Division durch null zu vermeiden. Dieser BHP-Wert
wird dann an ein Multiplikations-/Divisionsmodul 102 gelegt.
Die andere Eingabe des Multiplikations-/Divisionsmoduls 102 ist die
Ausgabe 108 entsprechend dem Massendurchsatz des NOx. Das
Ergebnis dieses Divisionsschrittes ist ein bremsspezifischer NOx-Ausgangswert 104.
In diesem Punkt können
sowohl die Ausgabe 98 des NOx-Massendurchsatzes als auch
der bremsspezifische NOx-Wert 104 an andere Motorsteuerungsroutinen
innerhalb des ECM geliefert werden.
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Der
Berechnungsschritt 24 im Flussdiagramm von 1 beinhaltet
im Einzelnen, dass der geschätzte
BHP-Wert an ein Multiplikationsmodul 106 gelegt wird. Dieses
Modul 106 erhält
außerdem einen
Referenzwert 105, nämlich "bsNOx_REF" (bremsspezifische
NOx-Referenz (g/hp·hr))
als Eingabe. Dieser Wert 105 kann aus einer vorgegebenen Referenzkarte
erhalten werden, die beispielsweise in einem Speicher des ECM gespeichert
ist. Die Ausgabe 107 des Multiplikationsmoduls 106 stellt
also eine Referenz- oder einen berechneten Massendurchsatz für das NOx
dar, der mit dem tatsächlich
berechneten NOx-Massendurchsatz auf Basis der erfassten und durch
das Messsignal 108 an den PID-Regler 110 gelieferten
Daten verglichen werden kann.
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Nunmehr
sei auf 3 verwiesen, wonach die beiden
Eingaben 107 (entsprechend dem Referenzwert) und 108 (entsprechend
dem tatsächlichen Wert)
an ein Summiermodul 135 gelegt werden, das einen Delta-Wert 136 für den Massendurchsatz
erzeugt. Mit anderen Worten, Schritt 24 des Flussdiagramms
von 1 vergleicht den tatsächlichen NOx-Massendurchsatz
mit einem Befehls-Massendurchsatz auf Basis der aktuellen Motorbetriebsbedingungen.
Die Prämisse
hinter diesem Vergleich ist, dass jeder Delta-Wert ungleich null
bedeutet, dass die NOx-Emissionen außerhalb des Befehlswertes für die aktuelle
Motorleistung und -bedingung liegen. Ein Delta-Wert ungleich null bedeutet also, dass
eine Änderung
der Motorbetriebsparameter erforderlich ist, um die NOx-Emissionen
wieder in den zulässigen Bereich
zu bringen.
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Diese
Maßnahme
erfolgt in Schritt 26 des Flussdiagramms von 1.
Genauer gesagt wird dieser Delta-Wert durch einen PID-Regler geschickt, der
auf ein spezifisches Ausgleichmittel kalibriert ist. Der PID-Regler
erzeugt dann einen Delta-Wert im geschlossenen Regelkreis, der zum
spezifischen Befehl addiert wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist
ein Ausgleichmittel ein bestimmter Motorbetriebsparameter, der bei
einer Änderung
den Massendurchsatz des betreffenden schädlichen Gases (in diesem Fall
NOx) in den Motorabgasen beeinflussen kann.
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Bei
der bevorzugten Ausführungsform
können
die Ausgleichmittel z.B. die Kraftstoffmasse, die Sauerstofflademasse
(Luft + EGR), die Position der Turbine mit veränderlicher Geometrie, die Öffnung des
Abblasventils bzw. der Abgasdrossel, den Beginn der Einspritzung
(start of injection – SOI) und/oder
den EGR-Durchsatz und dergleichen mehr enthalten. Das Mittel kann
auf Basis des zu erfüllenden
Einsatzziels vorgegeben sein. Ist das Einsatzziel beispielsweise
Kraftstoffersparnis und sind die NOx-Emissionen zu hoch, ist das zum Erreichen
des Einsatzziels effektivste Ausgleichmittel wahrscheinlich der
EGR-Durchsatz, vorausgesetzt, andere einschränkende Bedingungen bedeuten
keine Einschränkungen
für Änderungen
gegenüber
dem aktuellen Zustand. In diesem Fall wird eine Erhöhung des EGR-Durchsatzes
die NOx-Emissionen bei geringsten Abstrichen an der Kraftstoffersparnis
senken. Sind alternativ bei einem Einsatzziel Kraftstoffersparnis
die NOx-Emissionen zu niedrig, kann ein Vorverlegen des Beginns
der Einspritzung näher
an das Optimum den Massendurchsatz der NOx-Emissionen zum zulässigen Referenzwert zurückführen, während die
Kraftstoffersparnis maximiert wird.
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Ist
das Einsatzziel eine lange Lebensdauer und sind die Emissionen zu
hoch, kann der SOI verzögert
werden, während
die EGR auf ihrem Nennwert gehalten wird, um die für das System
nachteiligen Einflüsse
der EGR-Anwendung auf einem Minimum zu halten. Sind umgekehrt die
Emissionen zu gering, kann der EGR-Durchsatz gesenkt werden, auch
hier, um die für
das System nachteiligen Einflüsse
der EGR-Anwendung
auf einem Minimum zu halten, während
der Beginn der Einspritzung auf seinem Nennwert bleibt. Ist des
Weiteren die Optimierung des instationären Betriebsverhalten das Einsatzziel und
sind die NOx-Emissionen zu hoch, kann der SOI verzögert werden,
um die mit der EGR-Anwendung verbundene Bereitschaft zur Ver schlechterung
des instationären
Betriebsverhaltens auf einem Minimum zu halten. Umgekehrt wieder
ist eine Verringerung des EGR-Durchsatzes angezeigt, wenn die Emissionen
zu niedrig sind und das Ziel die Optimierung des instationären Betriebsverhaltens
ist. Natürlich
ist es denkbar, andere Ausgleichmittel einzusetzen, wo ihr Einfluss
auf die Emissionen gut quantifizierbar ist.
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Bei
der spezifischen dargestellten Ausführungsform ist der Beginn der
Einspritzung (SOI) das Ausgleichmittel, das zur Steuerung des NOx-Emissionsdurchsatzes
für die
Komponente 80 mit geschlossenem Regelkreis verwendet wird.
Bei der bevorzugten Ausführungsform
wird Schritt 26 im Flussdiagramm von 1 durch
den in 2 dargestellten PID-Regler 110 ausgeführt und
in einem normalen detaillierten Blockdiagramm in 3 dargestellt.
Der PID-Regler 110 erhält
den Messwert 108 für
den Emissionsmassendurchsatz sowie den vorgegebenen Befehlswert 107 entsprechend
dem optimalen Massendurchsatz. Wie zuvor erörtert werden die beiden Eingangssignale 107 und 108 zur
Erzeugung eines Delta-Wertes 136 verwendet. Der Zweck des PID-Reglers 110 ist
also, diesen Delta-Wert zu neutralisieren oder mit anderen Worten
den Delta-Wert 136 auf null zu verringern. Es hat sich
gezeigt, dass ein Proportional-Integral-Ableitungs-Regler ein gutes Mittel
ist, um diesen Delta-Wert des NOx-Massendurchsatzes mit einem auf ein
Ausgleichmittel anzuwendenden Delta-Befehl zu korrelieren.
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Zusätzlich zu
den Eingaben 107 und 108 erhält der PID-Regler 110 Eingaben 112,
die den maximalen und minimalen Grenzwerten der Delta-Werte entsprechen,
die auf das betreffende Ausgleichmittel angewendet werden können. Da
im vorliegenden Fall das Ausgleichmittel der Beginn der Einspritzung
ist, sind die maximalen und minimalen Werte "DSOI_MAX" und "DSOI_MIN". Der PID-Regler 110 erhält außerdem drei
Verstärkungseingaben 114 entsprechend
der anzuwendenden Poportional-, Integral- und Differentialverstärkung.
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Die
internen Elemente des PID-Reglers 110 können in bekannter Weise konfiguriert
sein. Das detaillierte Blockdiagramm von 3 dient
zur Verdeutlichung. Das Proportionalelement des Reglers 110 ist von
der Multiplikationskomponente 155 umgeben. Diese Komponente
erhält
den proportionalen Verstärkungswert
der Eingaben 114 und multipliziert diesen Wert mit dem
Delta-Wert 136. Das Ergebnis dieser Multiplikation ist
der Wert "SOI_P_TERM". Das Integralelement
des Verstärkers 110 erhält den Delta-Wert 136 und
multipliziert diesen im Multiplikationsmodul 157 mit der
Integralverstärkung
der Eingaben 114.
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Die
Ausgabe dieses Multiplikationsmoduls wird in ein Summiermodul 163 eingespeist,
das eine zusätzliche
Eingabe von der Integral-Rückkopplungsschleife
erhält.
Diese Integral-Rückkopplungsschleife
erhält
ein Signal vom Summiermodul 167 und subtrahiert die endgültige Ausgabe
des PID-Reglers, nämlich
das Delta-SOI-Befehlssignal 120 des geschlossenen Regelkreises.
Diese Subtraktion findet im Modul 161 statt. Das Ergebnis
dieser Subtraktion wird zu einem Multiplikations-/Divisionsmodul 159 rückgeführt, in
dem das Resultat durch den proportionalen Verstärkungseingangswert dividiert
wird. Das Ergebnis der Addition im Summiermodul 136 wird
an ein Min./Max.-Filter 165 gelegt, das eine Ausgabe "SOI_I_TERM" liefert.
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Schließlich erhält das Ableitungselement
des PID-Reglers 110 den Messwert 108 und multipliziert diesen
Wert mit einer vorgegebenen Filterverstärkung 137 in einem
Multiplikationsmodul 139; die Ausgabe dieser Multiplikation
wird in ein Filter 141 eingespeist, das auch eine Filterzeitkonstanteneingabe 143 empfängt. Die
Ausgabe dieses Filters 141 wird an ein Summiermodul 151 gelegt.
Das Summiermodul 151 erhält eine zusätzliche Eingabe für den Delta-Wert 136.
Der Delta-Wert 136 wird an einen Multiplikator geliefert,
wo er mit der abgeleiteten Filterverstärkung der Eingaben 114 multipliziert
wird. Dieses Produkt wird an ein weiteres Filter 147 geliefert,
das eine andere Eingabe 149 entsprechend einer Filterzeitkonstanten
erhält.
Die Ausgabe dieses zweiten Filters 147 wird dann an das
Summiermodul 151 geliefert, von dem die Ausgabe des Filters 141 subtrahiert
wird. Die verschiedenen Filterwerte 137, 143 und 149 können vorgegeben
sein, um die Ableitungskomponente des PID-Ausgangs aufzubereiten.
Die Filterwerte können
speziell den Ableitungswert auf Basis der oben erörterten
einsatzspezifischen Ziele aufbereiten.
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Das
Ergebnis dieser Subtraktion durchläuft ein Ableitungsmodul 153 zum
Summiermodul 167. Das Summiermodul 167 empfängt also
die drei SOI TERMS entsprechend dem Proportional-, Ableitungs- und
Integralelement. Wie zuvor erläutert
wird die Ausgabe dieser Summierung durch die Integrationsschleife
zurück
zum Summiermodul 161 geführt. Außerdem wird dieses Ergebnis
an ein weiteres Summiermodul 173 geliefert. Dieses Modul 173 erhält eine
weitere Eingabe 171 entsprechend einem vorgegebenen SOI-Delta-Offsetbefehl.
Dieser Befehlswert ist nominell null wie am Eingang des PID 110 in 2 dargestellt.
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Die
Ausgabe dieses Summiermoduls 173 wird an ein letztes Grenzwertfilter 175 geliefert.
Die Ausgabe dieses Grenzwertfilters ist der Delta-SOI-Befehl des
geschlossenen Regelkreises. Der in 2 dargestellte
Abschnitt 80 mit geschlossenem Regelkreis erzeugt also
einen Wert entsprechend einer Änderung
des Zündzeitpunkt befehls,
der an das Motorsteuerungsmodul geliefert wird. Dieser Änderungswert
kann den Zündzeitpunkt
des Motors je nach dem entsprechenden Einsatzprotokoll entweder
vorverlegen oder verzögern.
Die P-, I- und D-Verstärkungswerte
der Eingaben 114 sowie die Filtereingaben 137, 143 und 149 können auf
Basis des vom Steuerungssystem mit geschlossener Regelschleife zu
erfüllenden
Einsatzziel kalibriert werden.
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Wieder
zurück
zu 2 lässt
sich ersehen, dass die Ausgabe 120 ("CL_DSOI_CMD") an den Schalter 118 geschickt
wird. Der Status des Schalters wird durch ein Eingangssignal 116 bestimmt.
Das Signal 116 ist auf "On" (Ein), wenn der
Emissionsüberwachungsmanager
eine Korrektur des geschlossenen Regelkreises fordert, und auf "Off" (aus), wenn der
Emissionsüberwachungsmanager
eine Korrektur des geschlossenen Regelkreises nicht für erforderlich
erachtet. Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform
wird der Delta-SOI-Befehl des geschlossenen Regelkreises in ein
Summiermodul 125 eingespeist, wo dieser Befehl mit einem ähnlichen
Befehl kombiniert werden kann, der vom Abschnitt mit offenem Kreis
des Systems erzeugt wird. Alternativ kann zur Emissionskorrektur
nur das System mit geschlossenem Regelkreis verwendet werden. In
diesem Fall würde
die Ausgabe 120 direkt an die Systemausgabe 127 entsprechend
dem endgültigen
SOI-Delta-Werte ("DEL_SOI") geliefert werden.
Diese Ausgabe 127 kann dann an die entsprechenden Motorsteuerungsroutinen
im ECM geliefert werden, um den Beginn der Einspritzung vorzuverlegen
oder zu verzögern. Dieser
Delta-Befehl kann auch in ein Null-Vergleichsmodul 128 eingespeist
werden, um ein Freigabesignal 128 zur Inkremenierung des
SOI zu erzeugen, so dass das ECM informiert wird, ob der Beginn
der Einspritzung verändert
werden muss oder nicht.
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Während eine
Ausführungsform
der Erfindung die Verwendung des Systems nur mit geschlossenem Regelkreis
vorsieht, ist bei der am meisten bevorzugten Ausführungsform
die Komponente 80 mit geschlossenem Regelkreis mit einer
Komponente 60 mit offenem Regelkreis kombiniert. Die Komponente 60 mit
offenem Regelkreis implementiert die Schritte 40 des Flussdiagramms
von 1. Beim offenen System erfolgt im ersten Schritt 12 die
Erfassung der entsprechenden Sensordaten. Wie aus 2 ersichtlich
können
diese Sensordaten die Temperatur im Ansaugkrümmer, die Motordrehzahl und den
Prozentsatz des Kraftstoffes, der an den Motor geliefert wird (d.h.
aktueller Kraftstoff dividiert durch maximalen Kraftstoff bei aktueller
Motordrehzahl) beinhalten.
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Nach
der Erfassung der Sensordaten besteht der erste wesentliche Schritt
im offenen Schleifenelement 40 in der Bestimmung eines
Delta-Wertes für
die betreffende gewählte
Rückkopplungsvariable.
Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform ist
die gewählte
Rückkopplungsvariable
die Temperatur im Ansaugkrümmer
(intake manifold temperature – IMT).
Diese Rückkopplungsvariable
entspricht einer erfassten Bedingung des Motorbetriebs, die hinsichtlich
der schädlichen
Komponenten der Motorabgase einen Hinweis gibt oder dazu in gewisser
Beziehung steht. Bei der beispielhaften Ausführungsform ist also bekannt,
dass Änderungen
in der Temperatur im Ansaugkrümmer
unterschiedliche NOx-Anteile im Motorabgas ergeben können.
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Dieses
Merkmal der Erfindung macht sich die Beziehung zwischen der Änderung
dieses Motorbetriebsparameters und der Änderung der Emissionsrate des
NOx zu Nutze. Der erste wesentliche Schritt 42 des offenen
Verfahrens 40 erfordert also eine Bestimmung dieses Delta-Wertes.
Diese Bestimmung ist detaillierter in 2 dargestellt.
Insbesondere berechnet ein Rechenmodul 64 eine erwartete
oder normale Ansaugkrümmertemperatur
auf Basis der aktuellen Motordrehzahl und den prozentualen Kraftstoffwerten
aus den Eingaben 62. Dieser normale IMT-Wert kann aus einer
Nachschlagtabelle oder einer vorgegebenen Gleichung erhalten werden.
Der spezifische normale IMT-Wert vom Modul 64 wird an ein
Summiermodul 66 geliefert, wo er vom tatsächlichen
IMT-Sensorwert der Eingabe 62 subtrahiert wird.
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Im
nächsten
Schritt 44 des offenen Prozesses 40 wird eine
Formel angewendet, um einen Delta-NOx-Wert auf Basis der Änderung
der betreffenden Rückkopplungsvariablen
zu erzeugen. Dieser Schritt ist in Modul 68 integriert,
das die Ausgabe des Summiermoduls 66 empfängt. Das
Modul 66 kann eine Nachschlagtabellen oder Formel getriebene
Bestimmung implementieren. Das Modul stützt sich auf eine im Speicher
abgelegte vorgegebene Beziehung zwischen der Änderung des gewählten Motorbetriebsparameters,
in diesem Fall der IMT, und einer erwarteten Änderung der Emissionsabgaberate,
in diesem Fall NOx.
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Nachdem
dieser Delta-NOx-Wert berechnet worden ist, kann ein Delta-Befehl
für ein
vorgegebenes Ausgleichmittel des offenen Regelkreises in Schritt 46 erzeugt
werden (1). Das Modul 70 des mathematischen
Blockdiagramms von 2 repräsentiert dieses Schritt. In
der spezifischen beispielhaften Ausführungsform ist das Ausgleichmittel
wieder der Beginn der Einspritzung (SOI). Das Modul 70 legt
also der Ausgabe des Moduls 68 an eine vorgegebene Beziehung
zwischen dem Delta-NOx und einem Delta-SOI. Das Modul 70 der
vorliegenden Erfindung macht sich die Beziehung zwischen einer Änderung
des Ausgleichmittels, in diesem Fall SOI, und Änderungen im Emissionsabgabepegel
des NOx zu Nutze. Das Modul 70 arbeitet also als das Inverse des
Moduls 68. Die Ausgabe des Moduls 70 wird an einen
Multiplikator 72 gelegt, wo der Delta-SOI-Wert mit einer
vorgegebenen Skaliereingabe 73 multipliziert wird. Das
Ergebnis dieser Multiplikation wird an ein Summiermodul 74 gelegt,
in dem ein vorgegebener SOI-Offsetwert des offenen Regelkreises
angewendet werden kann. Die Werte 73 und 75 können auf
Basis der Einsatzziele vorgegeben werden.
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Die
Ausgabe des Summiermoduls 74 ist der Delta-SOI-Befehl 78 des
offenen Regelkreises. Wie beim geschlossenen System wird der Delta-Befehl des
offenen Kreises nur angewendet, wenn der Schalter 76 des
offenen Regelkreises "Ein" ist. Im bedingten
Schritt 48 im Flussdiagramm von 1 wird also
das Eingangssignal 77 herangezogen, um zu bestimmen, ob
der Motorbetreiber die Ausgleichskomponente des offenen Regelkreises
aktiviert hat. Falls nicht wird in Schritt 50 der Delta-Befehl
des offenen Kreises in der gleichen Weise auf null gesetzt, in der
der Befehl des geschlossenen Kreises in Schritt 30 auf
null gesetzt wurde, falls der Schalter für den geschlossenen Kreis "Aus" war. Ist andererseits der
Schalter des offenen Kreises "Ein", gibt der Schalter 76 den
Befehl "OL_DSOI_CMD" an das Sendemodul 125 weiter,
wo er mit dem entsprechenden Befehl des geschlossenen Kreises kombiniert wird.
Bei dieser beispielhaften Ausführungsform
ist der endgültige
Ausgangsbefehl 127 entsprechend der Änderung im Beginn der Einspritzung
der zusammengesetzte Wert aus den Werten des offenen und geschlossenen
Kreises wie er in Schritt 52 des Flussdiagramms kombiniert
wird. In Schritt geht 54 die Routine zum Datenerfassungschritt 12 zurück, so dass
die Routine kontinuierlich während
des Motorbetriebs zyklisch durchlaufen wird.
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Bei
der spezifischen Ausführungsform
arbeiten das offene und das geschlossene System mit dem gleichen
Ausgleichmittel, in diesem Fall dem Beginn der Einspritzung. Natürlich können sowohl
für die
offene als auch die geschlossene Komponente 60 bzw. 80 andere
Ausgleichmittel verwendet werden. Des Weiteren könnte das System 60 mit
offenem Regelkreis ein anderes Ausgleichmittel verwenden als das
System 80 mit geschlossenem Regelkreis.
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Die
in den Modulen 68 und 70 und in den Schritten 44 und 46 des
Verfahrens 40 mit offenem Regelkreis verwendeten Beziehungen
stützen
sich auf Beziehungen zwischen verschiedenen Motorbetriebsparametern
und ihren Auswirkungen auf den Emissionspegel. Diese Beziehungen
sind graphisch in 4 bis 6 dargestellt.
Insbesondere zeigen diese Graphen drei verschiedene Motorbetriebsparameter,
nämlich
die Ansaugsauerstofffraktion, die Änderung der Ansaugladetemperatur
(Luft + EGR) und die Änderung
des Beginns der Einspritzung in Abhängigkeit von einer "Z"-Funktion
des NOx. Diese "Z"-Funktion ist ein
normalisiertes NOx-Emissionsverhältnis,
nämlich
die vorhergesagte NOx-Emission dividiert durch einen Referenzwert.
Diese "Z"-Funktionen repräsentieren
die Beziehung zwischen den NOx-Emissionen und Änderungen der gewählten Betriebsparameter.
Somit kann wie aus Schritt 44 oder anhand der Komponente 68 ersichtlich
ist, eine "Z"-Funktion auf einen
Delta-Wert für
die Rückkopplungsvariable
angewendet werden, um das NOx-Emissionsverhältnis zu erhalten. Das Inverse dieses
Schrittes wird in Modul 70 angewendet, um einen Delta-Befehl zur Anwendung
im ECM abzuleiten.
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Da
die "Z"-Funktionen normalisierte
Werte sind, sind die praktisch nahezu unabhängig von jeglichen Motorbetriebsparametern.
Ein "Z"-Wert kann also auf
Basis eines Motorbetriebsparameters z.B. der Ansaugsauerstofffraktion
berechnet werden wie in 4 dargestellt, und der gleiche "Z"-Funktionswert kann im Inversen auf
einen anderen Motorbetriebsparameter z.B. den Beginn der Einspritzung
angewendet werden wie in 6 dargestellt.
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Ein
bedeutender Vorteil dieses Aspekts der Erfindung ist, dass ein zusammengesetzter "Z"-Funktionswert auf Basis der "Z"-Funktionsergebnisse für eine Reihe
von Motorbetriebsparameterwerten erzeugt werden kann. So können beispielsweise Änderungen
jedes der Sensoreingangs-Betriebsparameter von 4 bis 6 einen
spezifischen "Z"-Funktionswert ergeben.
Diese resultierenden drei "Z"-Funktionswerte können zu
einem zusammengesetzten "Z"-Wert kombiniert
werden. Das Inverse dieses zusammengesetzten Wertes wird dann auf
eine der Kurven von 4 bis 6 angewendet,
um einen Änderungsbefehl
für den
angegebenen Eingangsparameter zu erhalten. Der zusammengesetzte
Wert kann z.B. auf die Kurve von 6 angewendet
werden, um zu bestimmen, ob der Beginn der Einspritzung vorverlegt
oder verzögert
werden soll und um wie viel. Bei diesem Ansatz kann das Ausgleichssystem 60 mit
offenem Regelkreis so modifiziert werden, dass ein zusätzliches
Summiermodul bereitgestellt wird, um die Ergebnisse der mehreren
Module 68 und 70, die mit verschiedenen Eingangsparametern
arbeiten, zu summieren.
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Obwohl
die Erfindung in den Zeichnungen und in der vorstehenden Beschreibung
detailliert dargestellt und erläutert
worden ist, ist dies nur als beispielhaft und nicht in einem einschränkenden
Sinn zu betrachten.