DE102015120096B4 - Verfahren zur Vorsteuerung von Turboladern für verstärkte Kraftmaschinen mit einer AGR mit mehreren Routen - Google Patents

Abstract

Verfahren zur modellbasierten Steuerung eines Luftladungssystems (311) in einer Brennkraftmaschine (10), die ein Abgasrückführungssystem mit einer Hochdruck-Abgasrückführungsschleife und einer Niederdruck-Abgasrückführungsschleife enthält, wobei das Verfahren umfasst, dass:eine tatsächliche Abgasrückführungsrate überwacht wird (1002);Betriebsbedingungen eines Kompressors (45) in dem Luftladungssystem (311) und Betriebsbedingungen einer Turbine (46) in dem Luftladungssystem (311) überwacht werden (1004);eine Kompressorströmung (W) auf der Grundlage eines Ansaugkrümmer-Zieldrucks und der tatsächlichen Abgasrückführungsrate ermittelt wird (1003);eine Leistung, die von dem Kompressor (45) in dem Luftladungssystem (311) angefordert wird, auf der Grundlage der Kompressorströmung (W), des Ansaugkrümmer-Zieldrucks und der überwachten Betriebsbedingungen des Kompressors (45) ermittelt wird (1005);eine von der Turbine zu erzeugende Leistung auf der Grundlage der Leistung, die von dem Kompressor (45) angefordert wird, ermittelt wird (1006);eine Turbinenströmung auf der Grundlage der von der Turbine (46) zu erzeugenden Leistung und der überwachten Betriebsbedingungen der Turbine (46) ermittelt wird (1007);ein Systemsteuerungsbefehl für das Luftladungssystem (311) auf der Grundlage der Turbinenströmung und der überwachten Betriebsbedingungen der Turbine (46) ermittelt wird (1008); unddas Luftladungssystem (311) auf der Grundlage des Systemsteuerungsbefehls gesteuert wird (1009);wobei das Überwachen der tatsächlichen Abgasrückführungsrate umfasst, dass eine Gesamt-Abgasrückführungsrate im Zylinder überwacht wird, welche eine Rate mit einer Hochdruck-Abgasrückführung und eine Rate mit Niederdruck-Abgasrückführung enthält.

Description

• TECHNISCHES GEBIET
• Diese Offenbarung betrifft die Steuerung von Brennkraftmaschinen.
• HINTERGRUND
• Die Aussagen in diesem Abschnitt stellen nur Hintergrundinformationen mit Bezug auf die vorliegende Offenbarung bereit. Folglich sind diese Aussagen nicht dazu gedacht, eine Anerkennung des Standes der Technik zu begründen.
• Eine Kraftmaschinensteuerung umfasst die Steuerung von Parametern im Betrieb einer Kraftmaschine auf der Grundlage einer Kraftmaschinen-Sollausgabe, welche eine Kraftmaschinendrehzahl und eine Kraftmaschinenlast umfasst, und eines daraus resultierenden Betriebs, der beispielsweise Kraftmaschinenemissionen umfasst. Durch Kraftmaschinensteuerungsverfahren gesteuerte Parameter umfassen eine Luftströmung, eine Kraftstoffströmung und Einstellungen von Einlass- und Auslassventilen.
• An eine Kraftmaschine kann Verstärkungsluft geliefert werden, um eine relativ zu einem selbstansaugenden Ansaugsystem erhöhte Luftströmung für die Kraftmaschine bereitzustellen, um die Ausgabe der Kraftmaschine zu erhöhen. Ein Turbolader verwendet einen Druck in einem Abgassystem der Kraftmaschine, um einen Kompressor anzutreiben, der Verstärkungsluft an die Kraftmaschine liefert. Beispielhafte Turbolader können Turbolader mit variabler Geometrie (VGT) umfassen, die die Modulation von Verstärkungsluft ermöglichen, die in dem Abgassystem für gegebene Bedingungen bereitgestellt wird. Ein Superlader verwendet mechanische Leistung von der Kraftmaschine, die beispielsweise durch einen Zubehörriemen bereitgestellt wird, um einen Kompressor anzutreiben, der Verstärkungsluft an die Kraftmaschine liefert. Kraftmaschinensteuerungsverfahren steuern die Verstärkungsluft, um die daraus resultierende Verbrennung innerhalb der Kraftmaschine und die resultierende Ausgabe der Kraftmaschine zu steuern.
• Die Abgasrückführung (AGR) ist ein weiterer Parameter, der durch Kraftmaschinensteuerungen gesteuert werden kann. Eine Abgasströmung innerhalb des Abgassystems einer Kraftmaschine ist sauerstoffarm und ist im Wesentlichen ein inaktives Gas. Wenn das Abgas in Kombination mit einer Verbrennungsladung aus Kraftstoff und Luft in einen Brennraum eingeleitet oder dort zurückgehalten wird, moderiert es die Verbrennung, wodurch eine Ausgabe und eine adiabatische Flammentemperatur reduziert werden. Die AGR kann bei fortschrittlichen Verbrennungsstrategien außerdem in Kombination mit anderen Parametern gesteuert werden, die beispielsweise eine Verbrennung mit homogener Kompressionszündung (HCCI-Verbrennung) umfassen. Die AGR kann außerdem gesteuert werden, um Eigenschaften der resultierenden Abgasströmung zu verändern. Kraftmaschinensteuerungsverfahren steuern die AGR, um die resultierende Verbrennung innerhalb der Kraftmaschine und die resultierende Ausgabe der Kraftmaschine zu steuern. AGR-Systemkreise können mehrere Routen zum Liefern von Abgas in den Brennraum hinein enthalten, welche Hochdruck-Abgasrückführungskreise und Niederdruck-Abgasrückführungskreise (HP-bzw. LP-Abgasrückführungskreise) umfassen. Bei verstärkten Kraftmaschinen kann Abgas über eine Hochdruckroute in den Ansaugkrümmer der Kraftmaschine geleitet werden, wobei das Abgas in die Ansaugströmung zurückgeleitet wird, bevor es durch den VGT hindurchströmt, sodass das Abgas mit Druck beaufschlagt bleibt. Zudem kann das Abgas an den Ansaugkrümmer der Kraftmaschine durch einen Kreis zurückgeleitet werden, nachdem es den VGT durchlaufen hat, wobei das Abgas an dieser Stelle nicht mehr unter Druck steht.
• Luftbehandlungssysteme für eine Kraftmaschine managen die Strömung von Ansaugluft und AGR in die Kraftmaschine hinein. Luftbehandlungssysteme müssen zum Erreichen von Zielen der Ladungsluftzusammensetzung ausgerüstet sein (z.B. ein AGR-Anteil-Ziel), um Emissionsziele zu erreichen und um Ziele der insgesamt verfügbaren Luft zu erfüllen (z.B. der Massendurchsatz der Ladungsströmung), um Leistungs- und Drehmoment-Sollziele zu erreichen. Die Aktoren, welche die AGR-Strömung am meisten beeinflussen, beeinflussen allgemein die Ladungsströmung, und die Aktoren, welche die Ladungsströmung am meisten beeinflussen, beeinflussen allgemein die AGR-Strömung. Daher stellt eine Kraftmaschine mit einem modernen Luftbehandlungssystem ein System mit mehreren Eingängen und mehreren Ausgängen (ein MIMO-System) mit gekoppelten Eingabe-Ausgabe-Ansprechschleifen dar.
• MIMO-Systeme, bei denen die Eingänge gekoppelt sind, d.h. die Eingabe-Ausgabe-Ansprechschleifen einander beeinflussen, stellen in der Technik gut bekannte Herausforderungen dar. Ein Kraftmaschinen-Luftbehandlungssystem präsentiert weitere Herausforderungen. Die Kraftmaschine wird über einen großen Bereich von Parametern hinweg betrieben, welche variable Kraftmaschinendrehzahlen, variable Drehmomentausgaben und variable Kraftstoffzufuhr- und Zeitsteuerungspläne umfassen. In vielen Fällen stehen keine exakten Übertragungsfunktionen für das System zur Verfügung und/oder die Rechenleistung, die für eine Standard-Entkopplungsberechnung benötigt wird, steht nicht zur Verfügung. Ein AGR-Betrieb mit mehreren Routen ermöglicht, dass das System höhere AGR-Raten bei höheren Verstärkungsniveaus verwendet, aber er beeinflusst die Strömung und Leistung des VGTs/Kompressors, was die Konstruktion und das Verhalten einer Verstärkungssteuerung beeinträchtigt.
• Die Druckschrift DE 10 2008 054 926 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Steuern einer zwangsbefüllten Kraftmaschine, bei der ein Kompressor-Massenstrom aus einem Ansaugkrümmer-Zieldruck und einem AGR-Massenstrom berechnet wird, und die Leistung des Kompressors und einer Turbine sowie ein benötigter Turbineneinlassdruck, der mit einer VGT eingestellt werden soll, berechnet werden.
• In der Druckschrift DE 103 19 347 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Kompressor und einem Ladedruckregelventil, das zum Einstellen eines Sollladedrucks des Kompressors dient, offenbart. Dabei wird aus einem Kompressormassenstrom die Kompressorleistung berechnet und dann unter Berücksichtigung von Wirkungsgraden als geforderte Turbinenleistung verwendet.
• Die Druckschrift US 2013 / 0 042 609 A1 offenbart eine Brennkraftmaschine mit einer Einheit zum Schätzen einer Drehgeschwindigkeit eines Turboladers, wobei die Brennkraftmaschine eine Hochdruck-AGR sowie eine Niederdruck-AGR aufweist und die Drehgeschwindigkeit unter Verwendung eines Turboladermodells ohne Verwendung von AGR-Massenströmen geschätzt wird.
• ZUSAMMENFASSUNG
• Eine Kraftmaschine enthält ein Abgasrückführungssystem mit einer Hochdruck-Abgasrückführungsschleife und einer Niederdruck-Abgasrückführungsschleife, und ein Luftladungssystem. Ein Verfahren zum Steuern des Luftladungssystems umfasst, dass eine tatsächliche Abgasrückführungsrate, Betriebsbedingungen eines Kompressors in dem Luftladungssystem und Betriebsbedingungen einer Turbine in dem Luftladungssystem überwacht werden. Eine Kompressorströmung wird auf der Grundlage eines Ansaugkrümmer-Zieldrucks und der tatsächlichen Abgasrückführungsrate ermittelt. Eine von dem Kompressor in dem Luftladungssystem angeforderte Leistung wird auf der Grundlage der Kompressorströmung, des Ansaugkrümmer-Zieldrucks und der überwachten Betriebsbedingungen des Kompressors ermittelt. Eine von der Turbine zu erzeugende Leistung wird auf der Grundlage der Leistung ermittelt, die von dem Kompressor angefordert wird. Eine Turbinenströmung wird auf der Grundlage der von der Turbine zu erzeugenden Leistung und der überwachten Betriebsbedingungen der Turbine ermittelt. Ein Systemsteuerungsbefehl für das Luftladungssystem wird auf der Grundlage der Turbinenströmung und der überwachten Betriebsbedingungen der Turbine ermittelt. Das Luftladungssystem wird auf der Grundlage des Systemsteuerungsbefehls gesteuert. Das Überwachen der tatsächlichen Abgasrückführungsrate umfasst, dass eine Gesamt-Abgasrückführungsrate im Zylinder überwacht wird, welche eine Rate mit einer Hochdruck-Abgasrückführung und eine Rate mit Niederdruck-Abgasrückführung enthält.
• Figurenliste
• Es werden nun eine oder mehrere Ausführungsformen anhand von Beispielen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
• 1 eine beispielhafte Brennkraftmaschine, ein Steuerungsmodul und ein Abgasnachbehandlungssystem in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung schematisch darstellt;
• 2 eine beispielhafte Kraftmaschinenkonfiguration mit einem Turbolader und einem Abgasrückführungssystem mit mehreren Routen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung schematisch darstellt;
• 3 ein beispielhaftes Luftladungs-Steuerungssystem mit mehreren Variablenunter Verwendung modellbasierter Vorsteuerungs- und Rückkopplungssteuerungsverfahren in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung schematisch darstellt;
• 4 einen Vergleich von Kompressorarbeitspunkten, die benötigt werden, um das gleiche Druckverhältnis über den Kompressor hinweg mit einer Hochdruck-AGR-Strömung und einer Niederdruck-AGR-Strömung zu erreichen, in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung graphisch darstellt;
• 5 eine beispielhafte Turbolader-Vorsteuerung mit einer Hochdruck-AGR-Strömung und einer Niederdruck-AGR-Strömung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung schematisch darstellt;
• 6 ein beispielhaftes AGR-Steuerungsschema mit einem Vergleich einer gemessenen AGR-Rate und einer Soll-AGR-Rate mit einem Prozentsatz der Öffnung eines AGR-Aktors in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung graphisch darstellt;
• 7 ein beispielhaftes Verstärkungsteuerungsschema, bei dem sowohl Hochdruck-AGR- als auch Niederdruck-AGR-Strömungen berücksichtigt werden, welches einen Vergleich eines gemessenen Ansaugkrümmerdrucks und eines Soll-Ansaugkrümmerdrucks mit einem Prozentsatz einer VGT-Aktoröffnung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung graphisch darstellt;
• 8 beispielhafte Daten, die eine tatsächliche VGT-Strömung und eine geschätzte VGT-Strömung vergleichen, in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung graphisch darstellt;
• 9 beispielhafte Daten, die einen berechneten Turbinen-Zieleinlassdruck und einen gemessenen Ziel-Turbineneinlassdruck vergleichen, in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung graphisch darstellt; und
• 10 einen beispielhaften Prozess in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung darstellt.
• GENAUE BESCHREIBUNG
• Mit Bezug nun auf die Zeichnungen, in denen das Gezeigte nur zum Zweck der Veranschaulichung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und nicht zum Zweck des Beschränkens derselben dient, stellt 1 auf schematische Weise eine beispielhafte Brennkraftmaschine 10, ein Steuerungsmodul 5 und ein Abgasnachbehandlungssystem 65 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung dar. Die beispielhafte Kraftmaschine umfasst eine Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern, Direkteinspritzung und Kompressionszündung, die sich hin- und her bewegende Kolben 22 aufweist, die an einer Kurbelwelle 24 angebracht und in Zylindern 20 beweglich sind, welche Brennräume 34 mit variablem Volumen definieren. Die Kurbelwelle 24 ist an einem Fahrzeuggetriebe und einem Endantrieb wirksam angebracht, um in Ansprechen auf eine Bedienerdrehmomentanforderung TO_REQ Antriebsdrehmoment dorthin zu liefern. Die Kraftmaschine verwendet vorzugsweise einen Viertaktbetrieb, wobei jeder Kraftmaschinenverbrennungszyklus eine Winkeldrehung der Kurbelwelle 24 um 720 Grad umfasst, die in vier Stufen mit 180 Grad unterteilt ist (Ansaugen - Verdichten - Ausdehnen - Ausstoßen), welche die Hin- und Her-Bewegung des Kolbens 22 in dem Kraftmaschinenzylinder 20 beschreiben. Ein Zielrad 26 mit vielen Zähnen ist an der Kurbelwelle angebracht und dreht sich mit dieser. Die Kraftmaschine enthält Sensoren, um den Kraftmaschinenbetrieb zu überwachen, und Aktoren, welche den Kraftmaschinenbetrieb steuern. Die Sensoren und Aktoren sind mit dem Steuerungsmodul 5 signaltechnisch oder wirksam verbunden.
• Die Kraftmaschine ist vorzugsweise eine Viertakt-Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, die einen Brennraum mit variablem Volumen enthält, der durch den Kolben, der sich innerhalb des Zylinders zwischen oberen Totpunkten und unteren Totpunkten hin- und her bewegt, und einen Zylinderkopf definiert wird, der ein Einlassventil und ein Auslassventil enthält. Der Kolben bewegt sich in sich wiederholenden Zyklen hin- und her, wobei jeder Zyklus Ansaug-, Verdichtungs-, Ausdehnungs- und Auslasstakte umfasst.
• Die Kraftmaschine weist vorzugsweise einen Betriebsbereich für Luft und Kraftstoff auf, der hauptsächlich magerer als Stöchiometrie ist. Der Fachmann versteht, dass Aspekte der Offenbarung auf andere Kraftmaschinenkonfigurationen angewendet werden können, die entweder bei Stöchiometrie oder hauptsächlich magerer als Stöchiometrie arbeiten, beispielsweise auf Funkenzündungskraftmaschinen mit magerer Verbrennung oder auf die herkömmlichen Benzinkraftmaschinen. Während eines Normalbetriebs der Kompressionszündungskraftmaschine findet während eines jeden Kraftmaschinenzyklus ein Verbrennungsereignis statt, wenn eine Kraftstoffladung in den Brennraum eingespritzt wird, um zusammen mit der Ansaugluft die Zylinderladung zu bilden. Die Ladung wird anschließend durch die Aktion der Kompression derselben während des Verdichtungstakts verbrannt.
• Die Kraftmaschine ist ausgelegt, um über einen großen Bereich von Temperaturen, Zylinderladungen (Luft, Kraftstoff und AGR) und Einspritzereignissen hinweg zu arbeiten. Die hier offenbarten Verfahren sind für einen Betrieb mit Kompressionszündungskraftmaschinen mit Direkteinspritzung, die magerer als Stöchiometrie arbeiten, besonders geeignet, um Parameter zu ermitteln, welche mit einer Wärmefreisetzung in jedem der Brennräume während eines fortlaufenden Betriebs korrelieren. Die Verfahren sind ferner auf andere Kraftmaschinenkonfigurationen anwendbar, die Funkenzündungskraftmaschinen umfassen, einschließlich derjenigen, die zur Verwendung von Strategien mit homogener Kompressionszündung (HCCI-Strategien) angepasst sind. Die Verfahren können auf Systeme angewendet werden, die Kraftstoffeinspritzereignisse mit mehreren Impulsen pro Zylinder pro Kraftmaschinenzyklus verwenden, beispielsweise auf ein System, das eine Piloteinspritzung für eine Kraftstoffaufbereitung, ein Haupteinspritzereignis für Kraftmaschinenleistung und sofern anwendbar ein Kraftstoffeinspritzereignis nach der Verbrennung für das Nachbehandlungsmanagement verwendet, wobei jedes von diesen den Zylinderdruck beeinflusst.
• Sensoren sind an oder in der Nähe der Kraftmaschine installiert, um physikalische Eigenschaften zu überwachen und Signale zu erzeugen, die mit Kraftmaschinen- und Umgebungsparametern korrelierbar sind. Die Sensoren umfassen einen Kurbelwellenrotationssensor, der einen Kurbelsensor 44 zum Überwachen einer Kurbelwellendrehzahl (d.h. Kraftmaschinendrehzahl) (RPM) durch Erfassung von Flanken an den Zähnen des Zielrads 26 mit vielen Zähnen enthält. Der Kurbelsensor ist bekannt und er kann beispielsweise einen Halleffekt-Sensor, einen induktiven Sensor oder einen magnetoresistiven Sensor umfassen. Ein von dem Kurbelsensor 44 ausgegebenes Signal wird in das Steuerungsmodul 5 eingegeben. Ein Verbrennungsdrucksensor 30 ist ausgelegt, um den Druck im Zylinder (COMB_PR) zu überwachen. Der Verbrennungsdrucksensor 30 ist vorzugsweise nicht intrusiv und er enthält einen Kraftwandler mit einem kreisringförmigen Querschnitt, der zur Installation in dem Zylinderkopf an einer Öffnung für eine Glühkerze 28 ausgelegt ist. Der Verbrennungsdrucksensor 30 wird in Verbindung mit der Glühkerze 28 installiert, wobei der Verbrennungsdruck durch die Glühkerze mechanisch an den Drucksensor 30 übertragen wird. Das Ausgabesignal COMB_PR des Drucksensors 30 ist proportional zum Zylinderdruck. Der Drucksensor 30 enthält eine piezokeramische oder eine andere Vorrichtung, die derart angepasst werden kann. Andere Sensoren umfassen vorzugsweise einen Krümmerdrucksensor zum Überwachen eines Krümmerdrucks (MAP) und eines barometrischen Umgebungsdrucks (BARO), einen Luftmassenstromsensor zum Überwachen eines Ansaugluftmassenstroms (MAF) und einer Ansauglufttemperatur (T_IN) und einen Kühlmittelsensor 35, der eine Kraftmaschinenkühlmitteltemperatur (COO-LANT) überwacht. Das System kann einen Abgassensor zum Überwachen von Zuständen von einem oder von mehreren Abgasparametern, zum Beispiel Temperatur, Verhältnis von Luft zu Kraftstoff und Bestandteile enthalten. Der Fachmann versteht, dass es andere Sensoren und Verfahren für Steuerungs- und Diagnosezwecke geben kann. Die Bedienereingabe in der Form der Bedienerdrehmomentanforderung TO_REQ wird neben anderen Vorrichtungen typischerweise durch ein Drosselklappenpedal und ein Bremspedal erhalten. Die Kraftmaschine ist vorzugsweise mit anderen Sensoren zum Überwachen des Betriebs und für Systemsteuerungszwecke ausgestattet. Jeder der Sensoren ist mit dem Steuerungsmodul 5 signaltechnisch verbunden, um Signalinformationen bereitzustellen, welche von dem Steuerungsmodul in Informationen umgeformt werden, die den jeweiligen überwachten Parameter repräsentieren. Es versteht sich, dass diese Konfiguration der Veranschaulichung und nicht der Einschränkung dient, was umfasst, dass die verschiedenen Sensoren durch funktional äquivalente Vorrichtungen und Routinen ersetzt werden können.
• Die Aktoren sind an der Kraftmaschine installiert und sie werden in Ansprechen auf Bedienereingaben durch das Steuerungsmodul 5 gesteuert, um verschiedene Leistungsziele zu erreichen. Die Aktoren umfassen ein elektronisch gesteuertes Drosselklappenventil, welches eine Drosselklappenöffnung in Ansprechen auf ein Steuerungssignal (ETC) steuert, und eine Vielzahl von Kraftstoffeinspritzventilen 12 zur Direkteinspritzung von Kraftstoff in jeden der Brennräume in Ansprechen auf ein Steuerungssignal (INJ_PW), die alle in Ansprechen auf die Bedienerdrehmomentanforderung TO_REQ gesteuert werden. Ein Abgasrückführungsventil 32 und ein Kühler steuern die Strömung von extern zurückgeführtem Abgas zu dem Kraftmaschineneinlass in Ansprechen auf ein Steuerungssignal (AGR) vom Steuerungsmodul. Eine Glühkerze 28 ist in jedem der Brennräume installiert und zur Verwendung mit dem Verbrennungsdrucksensor 30 ausgelegt. Zudem kann in einigen Ausführungsformen ein Ladungssystem verwendet werden, das in Übereinstimmung mit einem Krümmer-Sollluftdruck Verstärkungsluft liefert.
• Das Kraftstoffeinspritzventil 12 ist ein Hochdruck-Kraftstoffeinspritzventil, das zum direkten Einspritzen einer Kraftstoffladung in einen der Brennräume in Ansprechen auf das Befehlssignal INJ_PW von dem Steuerungsmodul ausgelegt ist. Jedem der Kraftstoffeinspritzventile 12 wird druckbeaufschlagter Kraftstoff von einem Kraftstoffverteilungssystem zugeführt, und sie weisen Betriebseigenschaften auf, die eine minimale Impulsbreite und eine zugehörige minimale steuerbare Kraftstoffströmungsrate sowie eine maximale Kraftstoffströmungsrate umfassen.
• Die Kraftmaschine kann mit einem steuerbaren Ventiltrieb ausgestattet sein, der betrieben werden kann, um Öffnungsvorgänge und Schließvorgänge von Einlass- und Auslassventilen für jeden der Zylinder zu justieren, was einen Ventilzeitpunkt und/oder eine Phasenverschiebung (d.h. einen Zeitpunkt relativ zum Kurbelwinkel und zur Kolbenposition) und/oder eine Größe des Hubs der Ventilöffnungsvorgänge umfasst. Ein beispielhaftes System enthält eine variable Nockenphasenverstellung, welche auf Kompressionszündungskraftmaschinen, Funkenzündungskraftmaschinen und Kraftmaschinen mit homogener Kompressionszündung angewendet werden kann.
• Das Steuerungsmodul 5 führt Routinen aus, die darin gespeichert sind, um die vorstehend erwähnten Aktoren zu steuern, um den Betrieb der Kraftmaschine zu steuern, was die Drosselklappenposition, die Masse und den Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung, die Position des AGR-Ventils, um die Strömung von zurückgeführten Abgasen zu steuern, den Betrieb der Glühkerze und die Steuerung des Zeitpunkts, der Phasenlage und des Hubs an Systemen, die so ausgestattet sind, von Einlass- und/oder Auslassventilen umfasst. Das Steuerungsmodul ist ausgestaltet, um Eingabesignale von dem Bediener (z.B. eine Drosselklappenpedalposition und eine Bremspedalposition), um die Bedienerdrehmomentanforderung TO_REQ zu ermitteln, und von den Sensoren zu empfangen, welche die Kraftmaschinendrehzahl (RPM) und die Ansauglufttemperatur (Tin), sowie eine Kühlmitteltemperatur und andere Umgebungsbedingungen anzeigen.
• Steuerungsmodul, Modul, Controller, Steuerungseinheit, Prozessor und ähnliche Begriffe bedeuten eine beliebige geeignete oder verschiedene Kombinationen aus einer oder mehreren anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs), elektronischen Schaltungen, zentralen Verarbeitungseinheiten (vorzugsweise Mikroprozessoren) mit zugehörigem Arbeitsspeicher und Massenspeicher (Festwertspeicher, programmierbarer Festwertspeicher, Speicher mit wahlfreiem Zugriff, Festplattenlaufwerk usw.), die ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführen, kombinatorischen Logikschaltungen, Eingabe/Ausgabe-Schaltungen und -Vorrichtungen, geeigneten Signalaufbereitungs- und Pufferschaltungen und anderen geeigneten Komponenten, um die angegebene Funktionalität bereitzustellen. Das Steuerungsmodul weist einen Satz von Steuerungsroutinen auf, die residente Softwareprogrammanweisungen und Kalibrierungen umfassen, die im Arbeitsspeicher gespeichert sind und ausgeführt werden, um die gewünschten Funktionen bereitzustellen. Die Routinen werden vorzugsweise während voreingestellter Schleifenzyklen ausgeführt. Routinen werden etwa von einer zentralen Verarbeitungseinheit ausgeführt und können betrieben werden, um Eingaben von Sensoren und anderen Netzwerksteuerungsmodulen zu überwachen und um Steuerungs- und Diagnoseroutinen zum Steuern des Betriebs von Aktoren auszuführen. Schleifenzyklen können in regelmäßigen Intervallen ausgeführt werden, beispielsweise alle 3,125, 6,25, 12,5, 25 und 100 Millisekunden während eines fortlaufenden Betriebs der Kraftmaschine und des Fahrzeugs. Alternativ können Routinen in Ansprechen auf das Auftreten eines Ereignisses ausgeführt werden.
• 1 stellt eine beispielhafte Dieselkraftmaschine dar, jedoch kann die vorliegende Offenbarung bei anderen Kraftmaschinenkonfigurationen verwendet werden, die beispielsweise mit Benzin gespeiste Kraftmaschinen, mit Ethanol oder E85 gespeiste Kraftmaschinen oder andere ähnliche bekannte Konstruktionen umfassen. Die Offenbarung soll nicht auf die hier offenbarten speziellen beispielhaften Ausführungsformen begrenzt sein.
• 2 stellt auf schematische Weise eine beispielhafte Kraftmaschinenkonfiguration dar, die einen Turbolader und ein Abgasrückführungssystem mit mehreren Routen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung umfasst. Die beispielhafte Kraftmaschine weist mehrere Zylinder auf und umfasst eine Vielfalt von Kraftstoffzufuhrtypen und Verbrennungsstrategien, die in der Technik bekannt sind. Kraftmaschinensystemkomponenten enthalten ein Ansaugluftfilter 150, ein Drosselklappenventil 132 für eine Niederdruck-AGR, einen Ansaugluftkompressor mit einer Turbine 46 und einem Luftkompressor 45, einen Ladungsluftkühler 152, ein Drosselklappenventil 136 für Ansaugluft, ein Hochdruck-AGR-Ventil 140 und einen Kühler 154, einen Ansaugkrümmer 50, einen Abgaskrümmer 60, einen Dieseloxidationskatalysator (DOC) und ein Dieselpartikelfilter (DPF) 156, ein Drosselklappenventil 144 für eine Niederdruck-AGR, einen Niederdruck-AGR-Kühler 158 und ein Niederdruck-AGR-Ventil 148. Durch einen Einlass 171 wird Umgebungsansaugluft in den Kompressor 45 hineingesaugt. Eine Strömung aus druckbeaufschlagter Ansaugluft und AGR wird an den Ansaugkrümmer 50 zur Verwendung in der Kraftmaschine 10 geliefert. Eine Abgasströmung verlässt die Kraftmaschine 10 durch den Abgaskrümmer 60, treibt die Turbine 46 an und tritt durch ein Abgasrohr 170 aus. Das dargestellte AGR-System enthält ein Hochdruck-AGR-System, das druckbeaufschlagtes Abgas von dem Abgaskrümmer 60 zu dem Ansaugkrümmer 50 liefert. Das dargestellte AGR-System enthält zusätzlich ein Niederdruck-AGR-System, das Abgas mit niedrigem Druck von dem Abgasrohr 170 zu dem Einlass 171 liefert. Sensoren sind an der Kraftmaschine installiert, um physikalische Eigenschaften zu überwachen und um Signale zu erzeugen, die mit Kraftmaschinen- und Umgebungsparametern korrelierbar sind. Die Sensoren umfassen vorzugsweise einen Umgebungsluft-Drucksensor 112, einen Umgebungs- oder Ansaugluft-Temperatursensor 114 und einen Luftmassenstromsensor 116 (welche alle individuell oder als eine einzige integrierte Vorrichtung ausgestaltet sein können), einen Ansaugkrümmer-Lufttemperatursensor 118, einen MAP-Sensor 120, einen Abgastemperatursensor 122, einen Luftdrosselklappenventil-Positionssensor 134 und einen Positionssensor 138 für das Hochdruck-AGR-Ventil, einen Turbinenflügel-Positionssensor 124 sowie Positionssensoren 130 und 142 für die Niederdruck-AGR-Drosselklappenventile, und einen Positionssensor 146 für das Niederdruck-AGR-Ventil. Der Kraftmaschinendrehzahlsensor 44 überwacht die Drehzahl der Kraftmaschine. Jeder der Sensoren ist mit dem Steuerungsmodul 5 signaltechnisch verbunden, um Signalinformationen bereitzustellen, welche von dem Steuerungsmodul 5 in Informationen umgeformt werden, die den jeweils überwachten Parameter darstellen. Es versteht sich, dass diese Konfiguration zur Veranschaulichung und nicht zur Beschränkung dient, was umfasst, dass die verschiedenen Sensoren durch funktional äquivalente Vorrichtungen und Routinen ersetzt werden können und sie dennoch in den Umfang der Offenbarung fallen. Darüber hinaus kann der Ansaugluftkompressor alternative Turboladerkonfigurationen im Umfang dieser Offenbarung enthalten.
• Der Ansaugluftkompressor enthält einen Turbolader mit einem Luftkompressor 45, der in dem Lufteinlass der Kraftmaschine positioniert ist, und der von der Turbine 46 angetrieben wird, die in der Abgasströmung positioniert ist. Die Turbine 46 kann eine Anzahl von Ausführungsformen umfassen, die eine Vorrichtung mit feststehenden Flügelausrichtungen oder variablen Flügelausrichtungen umfassen. Ferner kann ein Turbolader als eine einzige Vorrichtung verwendet werden oder es können mehrere Turbolader verwendet werden, um Verstärkungsluft für die gleiche Kraftmaschine zu liefern.
• Turbolader mit variabler Geometrie (VGT) ermöglichen eine Steuerung dessen, wie viel Kompression an der Ansaugluft durchgeführt wird. Ein Steuerungssignal kann den Betrieb des VGTs modulieren, zum Beispiel indem es einen Winkel der Flügel in dem Kompressor und/oder in der Turbine moduliert. Diese beispielhafte Modulation kann den Winkel dieser Flügel verringern, wodurch die Kompression der Ansaugluft verringert wird, oder den Winkel dieser Flügel erhöhen, wodurch die Kompression der Ansaugluft erhöht wird. VGT-Systeme ermöglichen, dass ein Steuerungsmodul ein Niveau des Verstärkungsdrucks wählt, der an die Kraftmaschine geliefert wird. Andere Verfahren zum Steuern einer variablen Laderausgabe, die beispielsweise ein Ladedruckregelventil oder ein Umgehungsventil umfassen, können analog zu einem VGT-System implementiert werden, und es ist nicht beabsichtigt, dass die Offenbarung auf die speziellen hier offenbarten beispielhaften Ausführungsformen zum Steuern des Verstärkungsdrucks, der an die Kraftmaschine geliefert wird, beschränkt ist.
• Beispielhafte Dieselkraftmaschinen sind mit Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystemen bzw. Kraftstoffeinspritzsystemen mit einer gemeinsamen Versorgungsleitung, mit AGR-Systemen und mit VGT-Systemen ausgestattet. Die Abgasrückführung wird verwendet, um die Temperatur der Flamme steuerbar zu verringern und um NOx-Emissionen zu reduzieren. VGT-Systeme werden verwendet, um Verstärkungsdrücke zu modulieren, um einen Krümmerluftdruck zu steuern und eine Kraftmaschinenausgabe zu erhöhen. Zur Bewerkstelligung einer Kraftmaschinensteuerung, die eine Steuerung der AGR- und VGT-Systeme umfasst, kann ein Luftladungssteuerungsmodul mit mehreren Eingängen und mehreren Ausgängen (ein MIMO-Modul) verwendet werden. Ein MIMO-Modul ermöglicht eine rechentechnisch effiziente und koordinierte Steuerung der AGR und des VGT auf der Grundlage eines einzigen Satzes von Eingaben, der einen Kraftmaschinensollbetrieb beschreibt. Diese Eingaben können beispielsweise einen Arbeitspunkt für die Kraftmaschine enthalten, der eine Kraftmaschinendrehzahl und eine Kraftmaschinenlast beschreibt. Es ist festzustellen, dass andere Parameter als Eingabe verwendet werden können, die zum Beispiel Druckmesswerte umfassen, welche eine Kraftmaschinenlast anzeigen.
• Eine gekoppelte MIMO-Steuerung von sowohl der AGR als auch dem VGT oder eine Steuerung, welche die Reaktion von sowohl der AGR als auch dem VGT auf der Grundlage einer beliebigen gegebenen Eingabe festlegt, ist rechentechnisch effizient und kann komplexe Steuerungsreaktionen auf sich verändernde Eingaben ermöglichen, die auf der Grundlage einer unabhängigen Steuerung der AGR und des VGT rechentechnisch möglicherweise in Echtzeit nicht möglich wären. Jedoch erfordert eine gekoppelte Steuerung der AGR und des VGT, die festgelegte Reaktionen von beiden Parametern für eine beliebige gegebene Eingabe umfasst, vereinfachte oder am besten angepasste Kalibrierungen der gekoppelten Steuerungen, um die festgelegten Reaktionen von beiden zu steuern. Als Folge können diese Kalibrierungen eine Herausforderung darstellen und sie können auf der Grundlage der gewählten vereinfachten Steuerungskalibrierungen ein suboptimales Kraftmaschinenverhalten enthalten. Zum Beispiel könnten die AGR und der VGT auf eine Änderungsrate der Last oder auf Kraftmaschinentemperaturen im Optimalfall unterschiedlich reagieren. Zudem kann die Steuerung der AGR oder des VGT Grenzbedingungen erreichen und zu einer Aktorsättigung führen. Eine gekoppelte Steuerung, die zu einer Aktorsättigung führt, kann eine Bedingung verursachen, die in der Technik als Wind-Up bekannt ist, bei der das erwartete Verhalten des Systems und die Sollsteuerung des Systems divergieren und zu Steuerungsfehlern führen, auch nachdem die Aktorsättigung gelöst worden ist. Zudem ist die Steuerung der AGR und des VGT durch ein MIMO-Modul nicht linear und das Definieren der gekoppelten funktionalen Beziehungen zum Bereitstellen der Steuerungs-Soll-Ausgänge erfordert einen extensiven Kalibrierungsaufwand.
• VGT-Befehle sind ein Weg zum Steuern des Verstärkungsdrucks. Jedoch können andere Befehle zum Steuern eines Verstärkungsdrucks, etwa ein Verstärkungsdruckbefehl oder ein Krümmerluftdruckbefehl anstelle von VGT-Befehlen analog verwendet werden.
• Die Kraftmaschinenkonfiguration, etwa die beispielhafte Kraftmaschinenkonfiguration mit einem Turbolader, die in 2 schematisch dargestellt ist, kann durch ein mathematisches Modell repräsentiert werden. Es kann eine modellbasierte nicht lineare Steuerung angewendet werden, um Luft- und Ladungs-Sollziele in eine individuelle Strömung oder Leistung für jeden Aktor zu transformieren, etwa die Abgasrückführungsströmung, die Ansaugluftströmung und die Turbinenleistung. Eine Aktorposition für sowohl das AGR-Ventil als auch das Luftdrosselklappenventil als auch die VGT-Steuerung kann auf der Grundlage der einzelnen Strömungs- oder Leistungswerte eindeutig bestimmt werden, was zusätzlich zu einem entkoppelten und nahezu linearisierten System zur Rückkopplungssteuerung bzw. Regelung [engl.: feedback control] führt. Ein Verfahren zum Steuern einer Kraftmaschine mit einer AGR-, einer Luftdrosselklappen- und einer Luftladungssteuerung umfasst, dass eine physikalische modellbasierte Vorsteuerung [engl.: feedforward control] oder eine linearisierte Rückkopplungssteuerung verwendet wird, um die Steuerungen eines Systems mit mehreren Variablen zu entkoppeln.
• Mit einer Konfiguration mit einer verstärkten Kraftmaschine, die AGR-Schleifen mit mehreren Routen enthält, kann das System mit höheren AGR-Raten bei höheren Verstärkungsniveaus betrieben werden, dies beeinflusst jedoch die Strömung und Leistung der Turbine und des Kompressors, was die Konstruktion und die Leistung der Verstärkungssteuerung beeinträchtigt. Indem eine physikalische modellbasierte Luftladungssteuerungsroutine verwendet wird, können die modellbasierten Steuerungen Luftladungsaktoren modulieren, um den Einfluss von variierenden Hochdruck/Niederdruck-AGR-Raten auf das Verstärkungssystem zu minimieren. Auf der Grundlage eines Turbolader-Energiebilanzmodells kann die Sollverstärkung beibehalten werden, indem die VGT-Position an verschiedene Kombinationen von HP- und LP-AGR für eine gegebene gewünschte Gesamt-AGR-Rate im Zylinder angepasst wird. Im Gegensatz zu Verstärkungssteuerungsverfahren, die Nachschlagetabellen zur Vorsteuerung verwenden, ohne den AGR-Betrieb und die AGR-Kalibrierung zu berücksichtigen, beseitigen modellbasierte Steuerung eine Neukalibrierung der Verstärkungssteuerung bei beliebigen Veränderungen der Mischung zwischen Hochdruck- und Niederdruck-AGR-Schleifen. Dies reduziert Kopplungen/Interaktionen zwischen dem Verstärkungssystem und den mehreren AGR-Schleifen. Die modellbasierte Vorverstärkungssteuerung verbessert zudem die Robustheit gegenüber Systemvariationen und Umgebungsveränderungen, etwa bei der Umgebungstemperatur und bei dem Umgebungsdruck, sie reduziert die Kalibrierung einer Rückkopplungssteuerung bzw. Regelung und sie verbessert transiente Reaktionen über die modellbasierte Vorsteuerung.
• In Übereinstimmung mit der beispielhaften Kraftmaschinenkonfiguration, die in 2 dargestellt ist, können die verschiedenen LP-, HP- und kombinierten AGR-Raten der Luft- und AGR-Ströme des Systems durch eine Reihe von Beziehungen ausgedrückt werden. Der Mischpunkt der AGR mit langer Route ist der Punkt, bei dem die LP-AGR-Strömung W_agr,LP durch das LP-AGR-Ventil 148 hindurchläuft und sich mit der Frischluftströmung W_air vermischt, wenn diese durch das LP-AGR-Drosselklappenventil 132 hindurchgelaufen ist. Eine Niederdruck-AGR-Rate r_LP bei dem Mischpunkt der AGR mit langer Route kann durch die folgende Beziehung ausgedrückt werden: $$r_{LP}=\frac{W_{agr,LP}}{W_{air}+W_{agr,LP}}$$

  
• Der Mischpunkt der AGR mit kurzer Route ist der Punkt, bei dem die HP-AGR-Strömung W_agr,HP durch das HP-AGR-Ventil 140 hindurchläuft und sich mit der Kompressorströmung W_c vermischt, wenn diese durch das Ansaugdrosselklappenventil 136 hindurchgelaufen ist. Eine Hochdruck-AGR-Rate r_HP bei dem Mischpunkt der AGR mit kurzer Route kann durch die folgende Beziehung ausgedrückt werden. $$r_{HP}=\frac{W_{agr,HP}}{W_c+W_{agr,HP}}$$

  
• Die AGR-Rate r im Zylinder in der Zylinderladungsströmung W_cyl kann durch die folgenden Beziehungen ausgedrückt werden. $$r_{LP}=\frac{W_{agr,HP}+W_{agr,LP}}{W_{cyl}}$$

  

  $$r=r_{HP}+\left(1-r_{HP}\right)\mathrm{\ast }{r}_{LP}$$

  
• Das Verhältnis der aufgeteilten AGR kann dann durch die folgende Beziehung ausgedrückt werden. $$r_{SP}=\frac{W_{agr,LP}}{W_{agr,LP}+W_{agr,HP}}=1-\frac{r_{HP}}{r}$$

  
• Wenn das System in einem stationären Zustand betrieben wird, können die Systemströmungen, welche die Zylinderladungsströmung W_cyl, die Strömung W_t aus der Turbine 46 heraus und die Strömung W_c in den Kompressor hinein umfassen, durch die folgenden Beziehungen ausgedrückt werden: $$W_{cyl}={\mathrm{\eta }}_{\text{v}}\frac{{\text{v}}_{\text{d}}}{120R\mathrm{\ast }{\text{T}}_{\text{i}}}{\text{P}}_{\text{i}}\mathrm{\ast }\text{N}$$

  

  wobei

N

die Kraftmaschinendrehzahl ist,

V_d

das Hubraumvolumen der Kraftmaschine ist,

P_i

der Ansaugdruck ist,

R

die universelle Gaskonstante ist,

η_v

der volumetrische Wirkungsgrad der Kraftmaschine ist, und

T_i

die Ansaugtemperatur ist;

$$W_t=\left(1-r_{HP}\right)\mathrm{\ast }{W}_{cyl}+W_f$$

$$W_c=\left(1-r_{HP}\right)\mathrm{\ast }{W}_{cyl}$$

• Die Strömung W_c in den Kompressor hinein kann alternativ durch die folgende Beziehung ausgedrückt werden. $$W_c=\frac{W_{air}}{\left(1-r_{LP}\right)}$$

  
• Im stationären Zustand können die Anteile der verbrannten Gase an variierenden Punkten in dem System auch in Beziehung zu AGR-Raten ausgedrückt werden. Der Anteil der verbrannten Gase F_x am Auslass, der Anteil verbrannter Gase F_LP,mix am Mischpunkt der Niederdruck-AGR und der Anteil verbrannter Gase F_i am Einlass können in einem dynamischen Zustand durch die folgenden Beziehungen ausgedrückt werden. $$F_{agr,HP}\left(t\right)=F_x\left(t-{\tau }_{HP}\right)$$

  

  $$m_i{\dot{F}}_i=W_{agr,HP}\mathrm{\ast }\left(F_x\left(t-{\tau }_{HP}\right)-F_i\right)+W_{itv}\mathrm{\ast }\left(F_{itv}-F_i\right)$$

  

  $$F_{agr,LP}\left(t\right)=F_x\left(t-{\tau }_{LP}\right)$$

  

  $$m_{LP,mix}{\dot{F}}_{LP,mix}=W_{agr,LP}\mathrm{\ast }\left(F_x\left(t-{\tau }_{LP}\right)-F_{LP,mix}\right)-W_{air}{F}_{LP,mix}$$

  
• Wenn sich das System im stationären Zustand befindet, können diese Beziehungen alternativ durch die folgenden Beziehungen ausgedrückt werden. $$F_{agr,HP}=F_x$$

  

  $$F_{agr,LP}=F_x$$

  

  $$F_x=\frac{1+AF{R}_s}{1+AFR}$$

  

  $$F_{LP,mix}=r_{LP}\mathrm{\ast }{F}_x$$

  

  $$F_i=r_{HP}\mathrm{\ast }{F}_x+\left(1-r_{HP}\right)\mathrm{\ast }{F}_{LP,mix}$$

  

  $$F_i=r_{HP}\mathrm{\ast }{F}_x+\left(1-r_{HP}\right)\mathrm{\ast }{r}_{LP,mix}$$

  
• Der verbrannte Anteil an einem speziellen Punkt steht allgemein in Beziehung zu Sauerstoffkonzentrationen und die Beziehung zwischen einem verbrannten Anteil und einer Sauerstoffkonzentration an einem speziellen Punkt kann durch die folgende Beziehung ausgedrückt werden. $$O_2\cong 0.23\mathrm{\ast }\left(1-F\right)$$

  
• Ein beispielhaftes Systemmodell für die modellbasierte nicht lineare Steuerung kann in Übereinstimmung mit der folgenden Beziehung als eine nicht lineare Differentialgleichung ausgedrückt werden. $$\dot{y}=F\left(y\right)+Bu$$

  
• Die MIMO-Vorsteuerung, die auf die Eingänge u in dem vorstehend ausgedrückten beispielhaften Systemmodell angewendet wird, kann durch die folgende Beziehung ausgedrückt werden. $$u=-B^{-1}F\left(y\right)+B^{-1}v$$

  
• Der Term -B^-1F(y) drückt die Rückkopplungslinearisierung des Systems aus, wenn y ein tatsächlich gemessener oder geschätzter Parameter aus dem System ist, oder er drückt die Vorsteuerung des Systems aus, wenn y durch seinen zu verfolgenden Sollreferenzbefehl ersetzt wird. Der Rückkopplungscontroller v kann Proportional-Integral-Derivativ-Steuerungsverfahren (PID-Steuerungsverfahren), Steuerungsverfahren mit linear-quadratischen Reglern (LQR-Steuerungsverfahren) oder Rückkopplungssteuerungsverfahren mit Vorhersagemodellsteuerung (MPC-Rückkopplungssteuerungsverfahren) verwenden, wobei ein minimales Planen von Verstärkungen erforderlich ist. Der Systemausgabevektor y mit vielen Variablen kann in ein lineares SISO-Rückkopplungssystem entkoppelt werden, wie durch die folgende Beziehung ausgedrückt ist. $$\dot{y}=\left[\begin{array}{c}{\dot{y}}_1\\ {\dot{y}}_2\\ ⋮\\ {\dot{y}}_n\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{v}_1\\ v_2\\ ⋮\\ v_n\end{array}\right]=v$$

  
• Der Eingabevektor u wird in das Systemmodell eingegeben, welches eine modellbasierte Vorsteuerung mit vielen Variablen anwendet, um Nachschlagetabellen zu ersetzen, und zusätzlich eine Rückkopplungssteuerung anwendet, um eine Verfolgung bei nicht modellierten Unsicherheiten zu verbessern. Der Ausgabevektor y wird dann in einen linearen SISO-Rückkopplungsvektor v entkoppelt.
• Ein beispielhaftes auf Physik basierendes Luft- und Ladungssystemmodell der beispielhaften Kraftmaschinenkonfiguration mit einem Turbolader, die in 2 schematisch dargestellt ist, wird in Übereinstimmung mit den vorstehend ausgedrückten grundlegenden Systemmodellbeziehungen durch den folgenden Satz von Beziehungen ausgedrückt. $${\dot{p}}_{rc}=-c{P}_c\left(p_{rc},\frac{W_c\sqrt{T_{uc}}}{p_{uc}}\right)+J\left({\dot{W}}_c,W_c\right)+c{P}_t$$

  

  $$\left[\begin{array}{c}\frac{V_i}{R{T}_i}{\dot{P}}_i\\ m_i{\dot{F}}_i\\ m_c{\dot{F}}_c\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}-W_{cyl}\\ 0\\ 0\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}1& 1& 0\\ F_c-F_i& F_x-F_i& 0\\ -F_c& 0& F_x\left(t-\mathrm{\tau }\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{W}_{itv}\\ W_{agr,HP}\\ W_{agr,LP}\end{array}\right]$$

  

  wobei

p_rc

das Druckverhältnis des Kompressors ist,

P_c

die Kompressorleistung ist,

P_t

die Turbinenleistung ist,

W_c

die Kompressorströmung ist,

T_uc

die Temperatur stromaufwärts zum Kompressor ist,

p_uc

der Druck stromaufwärts zum Kompressor ist,

V_i

das Ansaugvolumen ist,

R

die universelle Gaskonstante ist,

T_i

die Ansaugtemperatur ist,

P_i

der Ansaugdruck ist,

m_i

die Ansaugmasse ist,

m_c

die Luftmasse vor dem Kompressor (bei dem AGR-Mischpunkt mit niedrigem Druck) ist,

F_i

der Anteil verbrannter Gase am Einlass ist,

F_c

der Anteil verbrannter Gase vor dem Kompressor (bei den AGR-Mischpunkt mit niedrigem Druck) ist,

F_x

der Anteil verbrannter Gase am Auslass ist,

t

die Zeit ist, und

τ

die Zeitverzögerung ist.

• Der Anteil verbrannter Gase vor dem Kompressor F_c kann durch die folgende Beziehung ausgedrückt werden. $$F_c=r_{LP}\mathrm{\ast }{F}_x$$

  
• Die in Beziehung [23] ausgedrückte Leistungsbilanz ist nur ein beispielhafter Leistungsbilanzausdruck und sie kann alternativ durch eine beliebige der folgenden Beziehungen ausgedrückt werden. $$\mathrm{\tau \ast }{\dot{P}}_c=-P_c+{\eta }_m\mathrm{\ast }{P}_t$$

  

  $$\frac{1}{2}{J}_t\frac{d\left(N_t^2\right)}{dt}=P_t-P_c-P_{tf}$$

  

  $$\frac{1}{2}{J}_t\frac{d\left(N_t^2\right)}{dt}={\eta }_m{P}_t-P_c$$

  

  wobei

N_t

die Drehzahl der Turboladerwelle ist,

J

die Trägheit der Turboladerwelle ist,

η_m

der mechanische Wirkungsgrad an der Turboladerwelle ist, und

P_tf

die Reibung an der Turboladerwelle ist.

• Die Strömung durch ein AGR-System hindurch kann modelliert werden, um die Strömung auf der Grundlage einer Anzahl bekannter Eingaben zu schätzen. Die Strömung durch das AGR-System hindurch kann wie eine Strömung durch eine Öffnung hindurch modelliert werden, wobei die Öffnung hauptsächlich ein AGR-Ventil oder eine Öffnung oder ein Venturi-Ventil für eine spezielle Konstruktion umfasst. In Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform kann die AGR-Strömung W_agr in Übereinstimmung mit der folgenden Öffnungsströmungsbeziehung modelliert werden. $${\text{W}}_{\text{agr}}={\text{A}}_{\text{agr}}\frac{{\text{P}}_{\text{x}}}{\sqrt{{\text{RT}}_{\text{agr}}}}\mathrm{\Psi }\left(\text{PR}\right)$$

  
• PR ist ein Druckverhältnis oder ein Verhältnis des Ansaugdrucks oder des Drucks einer Luftladung in dem Ansaugsystem am Auslass des AGR-Systems zu dem Abgasdruck oder dem Druck in dem Abgassystem am Einlass des AGR-Systems stromaufwärts zu dem Ladungssystem P_x. Tagr kann eine Temperatur des Abgases oder die Abgastemperatur am Einlass des AGR-Systems anzeigen. In Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform kann T_agr als eine Ausgangstemperatur des AGR-Kühlers gemessen werden. Aagr ist die effektive Strömungsfläche des AGR-Systems. R ist die universelle Gaskonstante, die in der Technik bekannt ist. Ein kritisches Druckverhältnis PR_c kann durch die folgende Beziehung ausgedrückt werden. $${\text{PR}}_{\text{c}}={\left(\frac{2}{\mathrm{\gamma }+1}\right)}^{\frac{\mathrm{\gamma }}{\mathrm{\gamma }-1}}$$

  
• γ ist ein spezifisches Wärmeverhältnis [engl.: specific heat ratio], das in der Technik bekannt ist. Wenn PR größer als PR_c ist, dann ist die Strömung eine Infraschallströmung. Wenn PR kleiner oder gleich PR_c ist, dann ist die Strömung gedrosselt. Ψ(PR) ist eine nicht lineare Funktion und kann durch die folgende Beziehung ausgedrückt werden. $$\mathrm{\Psi }\left(\text{PR}\right)=\{\begin{array}{cc}\sqrt{\frac{2\mathrm{\gamma }}{\mathrm{\gamma }-1}\left({\text{PR}}^2-{\text{PR}}^{\left(\mathrm{\gamma }+1\right)/\mathrm{\gamma }}\right)}& {\text{PR}}_{\text{c}}<\text{PR}<1\left(\text{Infraschall}\right)\\ {\mathrm{\gamma }}^{1/2}{\left(\frac{2}{\mathrm{\gamma }+1}\right)}^{\frac{\mathrm{\gamma }+1}{2\left(\mathrm{\gamma }-1\right)}}& \text{PR}<{\text{PR}}_{\text{c}}\left(\text{gedrosselt}\right)\end{array}$$

  
• A_agr kann als Funktion der AGR-Ventilposition x_agr ausgedrückt werden. Jedoch kann auf der Grundlage einer detaillierten Modellierung und von experimentellen Daten, die eine Ermittlung des Wärmeverlusts durch die Wände des Systems hindurch umfassen, eine genauere Schätzung für Aagr als Funktion von x_agr und PR ausgedrückt werden, welche durch die folgende Beziehung ausgedrückt werden kann. $${\text{A}}_{\text{agr}}={\text{A}}_{\text{agr}}\left({\text{x}}_{\text{agr}},\text{PR}\right)$$

  
• Das vorstehend offenbarte Verfahren nimmt an, dass das AGR-System einen Auslass stromabwärts zu dem Ladungssystemkompressor und einen Einlass stromaufwärts zu der Ladungssystem-Turboeinheit oder Turbine enthält. Es ist festzustellen, dass eine andere Ausführungsform mit einem AGR-System verwendet werden kann, das einen Auslass stromaufwärts zu dem Ladungssystemkompressor und einen Einlass stromabwärts zu der Ladungssystem-Turboeinheit oder der Turbine, oder in dem Abgassystem eines Fahrzeugs unter Verwendung eines Superladers ohne eine Turbine enthält. Es ist festzustellen, dass die vorstehenden Beziehungen und das zugehörige inverse Strömungsmodell zur Verwendung mit einer Anzahl beispielhafter AGR- und Ladungssystemkonfigurationen modifiziert werden kann, und die Offenbarung soll nicht auf die hier offenbarten speziellen beispielhaften Ausführungsformen beschränkt sein.
• 3 stellt auf schematische Weise ein beispielhaftes Luftladungs-Steuerungssystem mit vielen Variablen dar, das modellbasierte Vorsteuerungs- und Rückkopplungssteuerungsverfahren in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung verwendet. Ein Luftladungssystem 311 empfängt Befehle und erzeugt Ausgaben. Eine Anzahl von Modulen und Steuerungsstrategien, welche die Befehle entwickeln, sind dargestellt, und umfassen das Beobachtermodul 314 für Zustandsvariablen, die lineare Steuerungsstrategie 313 mit dem Rückkopplungssteuerungsmodul 302 und die nicht lineare Steuerungsstrategie 312. Betriebsparameter-Sollpunkte oder Zielarbeitspunkte können ein Kompressorsolldruckverhältnis p_{rc_des} 320, einen Ansaugkrümmersolldruck p_{i_des} 321, einen geschätzten Anteil verbrannter Gase am Einlass F_i 322 und einen geschätzten Anteil verbrannter Gase vor dem Kompressor an dem AGR-Mischpunkt mit niedrigem Druck F_c 323 umfassen. Diese Soll/Ziel-Punkte können alternativ mithilfe von AGR-Raten oder Sauerstoffkonzentrationen bei dem gewünschten Mischpunkt ausgedrückt werden, wie durch die hier beschriebenen Beziehungen beschrieben ist. Die Zielpunkte können als Beispiel ein beliebiges Paar der Variablen r_HP, r_LP, r_s, F_i, F_c, O_2,i und O_2,c wie hier beschrieben umfassen. Diese Betriebsparameter-Sollpunkte werden mit jeweiligen Rückkopplungssignalen 348, 349, 350 und 351 verglichen, welche entweder durch direkte Sensormessungen oder durch das Beobachtermodul 314 für Zustandsvariable auf der Grundlage der tatsächlichen Betriebsparameter des Luftladungssystems 311 ermittelt werden. Diese Betriebsparameter werden durch Betriebsparametersignale 344, 345, 346 und 347 repräsentiert und sie können als Beispiel den Ansaugkrümmerdruck, die Ansaugkrümmertemperatur, die Luftmasse, den Umgebungsdruck und die Umgebungstemperatur umfassen. Die Luftladungssystemparameter können durch Sensoren überwacht oder alternativ durch das Beobachtermodul 314 für Zustandsvariable geschätzt werden, wenn kein Sensor vorhanden ist. Die beobachteten und geschätzten Systembetriebsparameter können verwendet werden, um Rückkopplungssignale zu ermitteln. Die Rückkopplungssignale beschreiben ein tatsächliches Kompressordruckverhältnis p_rc 348, einen tatsächlichen Ansaugkrümmerdruck p_i 349, einen tatsächlichen Anteil verbrannter Gase am Einlass F_i 350 und einen tatsächlichen Anteil verbrannter Gase vor dem Kompressor F_c 351, der an dem Niederdruck-AGR-Mischpunkt gemessen wird. Der Vergleich der Soll-Betriebsparameter und der jeweiligen tatsächlichen Betriebsparameter ermittelt Fehlerterme für jeden Parameter, die einen Kompressordruckverhältnis-Fehlerterm 324, einen Ansaugkrümmerdruck-Fehlerterm 325, einen Fehlerterm 326 für den Anteil verbrannter Gase am Einlass und einen Fehlerterm 327 für den Anteil verbrannter Gase vor dem Kompressor umfassen. Diese Fehlerterme werden dann in das Rückkopplungssteuerungsmodul 302 der linearen Steuerungsstrategie 313 eingegeben. Das durch das Rückkopplungssteuerungsmodul 302 implementierte Rückkopplungssteuerungsverfahren ermittelt Rückkopplungssteuerungssignale v₁ 328, v₂ 329, v₃ 330 und v₄ 331. Betriebsparameter-Sollpunkte, die ein Kompressordruck-Sollverhältnis p_{rc_des} 320, einen Ansaugkrümmer-Solldruck p_{i­_des} 321, einen geschätzten Anteil verbrannter Gase am Einlass F_i 322 und einen geschätzten Anteil verbrannter Gase vor dem Kompressor F_c 323 umfassen, werden zusätzlich in das Vorsteuerungsmodul 301 eingegeben, und Vorsteuerungssignale, die ein Kompressordruckverhältnis-Vorsteuerungssignal 322, ein Ansaugkrümmerdruck-Vorsteuerungssignal 333, ein Vorsteuerungssignal 334 für den Anteil verbrannter Gase am Einlass und ein Vorsteuerungssignal für den Anteil verbrannter Gase vor dem Kompressor umfassen, werden ausgegeben. Die Rückkopplungssteuerungssignale 328, 329, 330 und 331 sowie die Vorsteuerungssignale 332, 333, 334 und 335 werden in die nicht lineare Steuerungsstrategie 312 eingegeben. Diese Signale werden beim Berechnen der Turbinenleistungs-Übertragungsrate R_t 336, der Luftströmung W_itv 337, der HP-AGR-Strömung W_agrHP 338 und der LP-AGR-Strömung W_agrLP 339 bei Punkten 303, 304, 305 und 306 verwendet. Die Berechnungen zum Ermitteln dieser Vorsteuerungssignale können durch die folgenden Beziehungen ausgedrückt werden: $$R_t=\frac{1}{h_t}\left(P_c+\frac{v_1}{c}\right)$$

  

  wobei

P_c

die Kompressorleistung ist, und

h_t

die Abgasenergieströmung ist;

$$\left[\begin{array}{c}{W}_{itv}\\ W_{agr,HP}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\frac{F_x-F_i}{F_x-F_c}& -\frac{1}{F_x-F_c}\\ \frac{F_i-F_c}{F_x-F_c}& \frac{1}{F_x-F_c}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{W}_{cyl}+v_2\\ v_3\end{array}\right]$$

$$W_{agr,LP}=r_{LP}{W}_{itv}+\frac{1}{F_x}{v}_4$$

• Durch die Matrixmultiplikation der Beziehung [34] verfügen das Vorsteuerungsmodul 301, das Rückkopplungssteuerungsmodul 302 und die nicht lineare Steuerungsstrategie 312 auch über einen Zugriff auf Informationen über den Kraftmaschinenbetrieb und auf Betriebsparameter des Luftladungssystems 311, etwa auf die Betriebsparametersignale 344, 345, 346 und 347, welche entweder durch Sensoren überwacht oder alternativ durch das Beobachtermodul 314 für Zustandsvariable geschätzt werden können. Das Signal 336, das entweder die Turbinenleistungsübertragungsrate R_t oder die Turbinenleistung P_t sein kann, da die beiden durch P_t = h_t * R_t in Beziehung stehen, die Luftströmung W_itv 337, die HP-AGR-Strömung W_agrHP 338 und die LP-AGR-Strömung W_agrLP 339 werden dann in Systemsteuerungsbefehle transformiert, die einen VGT-Befehl u_vgt 340, einen Luftdrosselklappenventilbefehl u_itv 341, einen HP-AGR-Ventilbefehl u_agr 342 und einen LP-AGR-Ventilbefehl 343 umfassen. Der VGT-Befehl u_vgt 340, der Luftdrosselklappenventilbefehl u_itv 341, der HP-AGR-Ventilbefehl u_agr 342 und der LP-AGR-Ventilbefehl 343 werden dann zum Steuern des Luftladungssystems 311 verwendet. Die Transformation der Turbinenleistungsübertragungsrate 336, der Luftströmung 337, der HP-AGR-Strömung 338 und der LP-AGR-Strömung 339 in die Systemsteuerungsbefehle kann durch die Verwendung eines inversen Strömungsmodells oder einer Umkehrung eines physikalischen Modells eines Systems erreicht werden.
• Ein inverses Strömungsmodell oder eine Umkehrung eines physikalischen Modells eines Systems kann bei der Ermittlung von Einstellungen nützlich sein, die benötigt werden, um eine Sollströmung durch eine Öffnung in dem System zu erreichen. Eine Strömung durch ein System hindurch kann als Funktion einer Druckdifferenz über das System hinweg und einer Strömungsbegrenzung im System modelliert werden. Bekannte oder ermittelbare Terme können substituiert werden und die funktionale Beziehung kann manipuliert werden, um ein inverses Strömungsmodell des Systems nützlich zu gestalten, um eine Sollsystemeinstellung zum Erreichen einer Sollströmung zu ermitteln. Beispielhafte hier offenbarte Verfahren verwenden eine erste Eingabe einer effektiven Strömungsfläche oder einer Strömungsbegrenzung für das System, das modelliert wird, und eine zweite Eingabe, die einen Druckwert für das System eines Drucks enthält, der die Strömung durch das System hindurch bewegt. Ein beispielhaftes Verfahren zur entkoppelten Vorsteuerung eines AGR-Ventils kann umfassen, dass ein inverses Strömungsmodell des Systems verwendet wird, das in einem gemischten Polynom beruhend auf dem inversen Modell und kalibrierten Termen ausgeführt ist. Ein anderes beispielhaftes Verfahren zur entkoppelten Vorsteuerung eines AGR-Ventils kann umfassen, dass ein auf einer Dimensionstabelle beruhender Ansatz verwendet wird. Ein weiteres beispielhaftes Verfahren zur entkoppelten Vorsteuerung eines AGR-Ventils kann umfassen, dass ein exponentielles Polyfit-Modell verwendet wird. Ein beispielhaftes Verfahren zur entkoppelten Vorsteuerung der Luftdrosselklappe kann eine Umkehrung des physikalischen Modells des Systems, einen Ansatz mit Dimensionstabellen oder ein exponentielles Polyfit-Modell verwenden. Ein beispielhaftes Verfahren zur entkoppelten Vorsteuerung eines Ladungssystems, etwa eines Turboladers, der mit einer VGT ausgestattet ist, kann eine Umkehrung des physikalischen Modells des Systems, einen Ansatz mit Dimensionstabellen oder ein exponentielles Polyfit-Modell verwenden.
• Diese Verfahren können einzeln oder in Kombination verwendet werden und für das gleiche System können verschiedene Verfahren für verschiedene Bedingungen und Betriebsbereiche verwendet werden. Ein Steuerungsverfahren kann ein inverses Strömungsmodell verwenden, um einen Vorsteuerungsbefehl für eine erste Auswahl zu ermitteln, die entweder den AGR-Kreis oder das Luftdrosselklappensystem oder das Ladungssystem umfasst. Das Steuerungsverfahren kann zusätzlich ein zweites inverses Strömungsmodell verwenden, um einen zweiten Vorsteuerungsbefehl für eine zweite Auswahl zu ermitteln, die jeweils einen anderen von dem AGR-Kreis, dem Luftdrosselklappensystem und dem Ladungssystem umfasst. Das Steuerungsverfahren kann zusätzlich ein drittes inverses Strömungsmodell verwenden, um einen dritten Vorsteuerungsbefehl für eine dritte Auswahl zu ermitteln, die jeweils einen weiteren von dem AGR-Kreis, dem Luftdrosselklappensystem und dem Ladungssystem umfasst. Auf diese Weise kann ein Steuerungsverfahren einen beliebigen oder alle von dem AGR-Kreis, dem Luftdrosselklappensystem und dem Ladungssystem steuern.
• Ein Verfahren zum Steuern einer AGR-Strömung durch ein inverses Steuerungsverfahren in Übereinstimmung mit einem inversen Modell der AGR-Strömung ist in der ebenfalls anhängigen und dem gleichen Anmelder gehörenden Anmeldung mit der Nummer 12/982,994 offenbart, die der Veröffentlichung US 2012-0173118 A1 , die hier durch Bezugnahme mit aufgenommen ist, entspricht.
• Wie mit Bezug auf 3 angezeigt ist, ermittelt das Rückkopplungssteuerungsmodul 302 der linearen Steuerungsstrategie 313 die Rückkopplungssteuerungssignale 328, 329, 330 und 331 unter Verwendung von Rückkopplungssteuerungsverfahren. Die beispielhaften Rückkopplungssteuerungsverfahren, die von dem Rückkopplungssteuerungsmodul von 3 verwendet werden, können eine PID-Regelung umfassen. In einer beispielhaften Ausführungsform kann das PID-Regelungsmodul als mehrere einzelne Module konstruiert sein, wobei jedes einer speziellen Sollbetriebsparametereingabe zugeordnet ist, um entkoppelte Rückkopplungssteuerungssignale auszugeben. Das Rückkopplungssteuerungsmodul kann alternativ prädiktive Modellsteuerungsverfahren oder linear-quadratische Reglersteuerungsverfahren verwenden.
• 4 stellt auf graphische Weise einen Vergleich von Kompressorarbeitspunkten in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung dar, die benötigt werden, um das gleiche Druckverhältnis über den Kompressor hinweg mit einer Hochdruck-AGR-Strömung und einer Niederdruck-AGR-Strömung zu erreichen. Dieser Vergleich veranschaulicht eine Verschiebung von Turboladerarbeitspunkten für variierende HP-AGR-und LP-AGR-Verhältnisse. Die x-Achse 401 repräsentiert eine Kompressorströmung W_c, die y-Achse 402 repräsentiert das Druckverhältnis P_rc über den Kompressor hinweg. Eine horizontale Linie 412 repräsentiert ein konsistentes Druckverhältnis über den Kompressor hinweg, speziell den Druck P_t am Kompressorauslass. Eine vertikale Linie 410 repräsentiert die Kompressorströmung, die notwendig ist, um das Druckverhältnis 412 über den Kompressor hinweg mit nur der HP-AGR zu erreichen, wie durch Punkt 420 dargestellt ist. Eine vertikale Linie 411 repräsentiert die Kompressorströmung, die notwendig ist, um das Druckverhältnis 412 über den Kompressor hinweg mit nur der LP-AGR zu erreichen, wie durch Punkt 421 dargestellt ist.
• Eine Gesamt-AGR-Rate r im Zylinder kann mit verschiedenen Kombinationen aus LP-AGR und HP-AGR erreicht werden. Die Gesamt-AGR-Rate r im Zylinder kann durch die folgende Beziehung ausgedrückt werden. $$r=r_{HP}+\left(1-r_{HP}\right)\ast r_{LP}$$

  

  Wenn nur LP-AGR verwendet wird, ist die Kompressorströmung W_c gleich der Strömung W_cyl in die Zylinder hinein im stationären Zustand. Wenn nur die HP-AGR verwendet wird, dann wird die Kompressorströmung W_c um die HP-AGR-Strömung reduziert und kann durch die folgende Beziehung ausgedrückt werden. $$W_c=\left(1-r_{HP}\right)\ast W_{cyl}$$

  
• Der Punkt 420 zeigt, dass zum Erreichen eines Solldruckverhältnisses über den Kompressor hinweg, wenn nur die HP-AGR verwendet wird, die Kompressorströmung 410 durch die folgende Beziehung ausgedrückt werden kann. $$\left(1-r\right)\ast k\ast P_i$$

  
• Der Punkt 421 zeigt, dass zum Erreichen eines Solldruckverhältnisses über den Kompressor hinweg, wenn nur die LP-AGR verwendet wird, die Kompressorströmung 411 durch die folgende Beziehung ausgedrückt werden kann. $$k\ast P_i$$

  
• In diesen beiden Beziehungen ist k ein berechneter Term, der die Zylinderladungsströmung W_cyl repräsentiert, wie es in Beziehung [6] ausgedrückt ist, und er kann durch die folgende Beziehung ausgedrückt werden. $$k={\mathrm{\eta }}_{\text{v}}\frac{{\text{v}}_{\text{d}}}{120\text{R}\ast {\text{T}}_{\text{i}}}\text{N}$$

  
• Die Leistungsverschiebung des Turboladers wird aufgrund dessen verwendet, wie die Gesamt-AGR erreicht werden kann, um den Vorsteuerungs-VGT-Befehl für einen gegebenen Sollverstärkungsdruck und eine gegebene LP/HP-AGR-Rate anzupassen. Die Leistungsverschiebung des Turboladers kann durch die folgende Beziehung ausgedrückt werden: $$P_c=W_c{T}_a{c}_p\left[{\left(\frac{p_i}{p_a}\right)}^{\mu }-1\right]/{\eta }_c.$$

  

  wobei

µ

das spezifische Wärmeverhältnis ist,

c_p

die spezifische Wärme bei konstantem Druck ist, und

η_c

ein Kompressorwirkungsgrad ist.

• 5 stellt auf schematische Weise eine beispielhafte Turbolader-Vorsteuerung 500 mit sowohl einer Hochdruck-AGR-Strömung als auch einer Niederdruck-AGR-Strömung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung dar. Eine Referenz-AGR-Rate r 510 und ein Referenz-Verstärkungsdruck p_i 511 werden in ein Kompressorströmungsmodul 501 eingegeben, welches die Kompressorströmung W_c 512 auf der Grundlage der Zielverstärkung p_i 511 und der Ziel/der tatsächlichen AGR-Rate r 510 ermittelt. Die HP-AGR-Rate r_HP kann auf der Grundlage der Beziehung zwischen der AGR-Rate r im Zylinder, r_HP und r_LP ermittelt werden, die in Beziehung [28] ausgedrückt ist. Wenn sowohl die LP-AGR als auch die HP-AGR betrieben werden, können r_HP und r_LP über Betriebszuordnungen als Ziele verwendet werden oder aus gemessenen oder geschätzten Anteilen verbrannter Gase an Mischpunkten (F_i, F_LP,mix) und dem Anteil verbrannter Abgase F_x berechnet werden. Diese Werte können von Sensoren oder von einer Zustandsbeobachter-Schätzvorrichtung stammen und sie können durch die folgenden Beziehungen ausgedrückt werden. $$r_{HP}=\frac{r-r_{LP}}{1-r_{LP}}$$

  

  $$r=F_i/F_x$$

  

  $$r_{LP}=F_{LP,mix}/F_x$$

  
• Die Kompressorströmung 512 kann durch die folgende Beziehung ermittelt werden. $$W_c=\left(1-r_{HP}\right)\ast k\ast p_i$$

  
• Die Kompressorströmung 512 und der Referenzverstärkungsdruck 511 werden in ein Modul 502 der Beziehung von Kompressorleistung zu Kompressorströmung eingegeben, welches die Kompressorleistung P_c 514 auf der Grundlage der Kompressorströmung 512, des Referenzverstärkungsdrucks 511 und zusätzlicher Systemeingaben 513 ermittelt, welche eine Temperatur T_uc stromaufwärts zu dem Kompressor und einen Druck p_uc stromaufwärts zu dem Kompressor umfassen können, welcher auf der Grundlage der Luftströmung W_air, der Niederdruck-Drosselklappenventilsteuerung u_lptv, des Umgebungsdrucks p_a und der Umgebungstemperatur T_a ermittelt wird. Diese Bedingungen am Kompressoreinlass können durch die folgenden Beziehungen auf der Grundlage der Öffnungsbeziehung ausgedrückt werden: $$\mathrm{\Psi }\left(p_{uc}/p_a\right)=W_{air}\ast \frac{\sqrt{R{T}_a}}{p_a}/A_{lptv}\left(u_{iptv}\right)$$

  

  wobei

A_lptv

die effektive Fläche des Niederdruck-Drosselklappenventils ist, und

u_lptv

die Steuerung des Niederdruck-Drosselklappenventils ist.

$$T_{uc}=r_{LP}\ast T_{agr,LP}+\left(1-r_{LP}\right)\ast T_a$$

• Wobei T_agr,LP die Temperatur der Niederdruck-AGR ist und das Modul 502 der Beziehung der Kompressorleistung zu der Kompressorströmung die Kompressorleistung 514 auf der Grundlage der Beziehung ermittelt die hier durch die Beziehung [33] ausgedrückt ist. Die Kompressorleistung 514 wird dann in das Turboladerleistungs-Transfermodul 503 eingegeben, welches eine Turbinenleistung P_T 515 auf der Grundlage der Kompressorleistung ermittelt. Die Beziehung zwischen der Turbinenströmung und der Turbinenleistung kann durch die folgende Beziehung ausgedrückt werden: $$P_t=c_p{T}_x{W}_t{\eta }_t\left[1-{\left[\frac{p_s}{p_x}\right]}^{\mathrm{\mu }}\right]$$

  

  wobei

η_t

der Turbinenwirkungsgrad ist,

T_x

die Abgastemperatur ist,

p_s

ein Druck stromabwärts von der Turbine (ein Turbinenauslassdruck) ist, und

p_x

der Abgasdruck ist.

• Die Dynamiken des Turboladerleistungstransfers können durch die folgenden Beziehungen ausgedrückt werden: $$\tau \ast {\dot{P}}_c=-P_c+{\eta }_m\ast P_t$$

  

  $$\left(\tau \ast s+1\right)P_c={\eta }_m\ast P_t$$

  

  wobei s der Differentialoperator einer Differenzierung im Laplace-Bereich ist. Auf der Grundlage der Beziehung zwischen Turbinenströmung und Turbinenleistung, der Beziehung zwischen Kompressorströmung und Kompressorleistung und der Dynamiken des Turboladerleistungstransfers kann die Turboladerleistungsbilanz durch die folgende Beziehung ausgedrückt werden: $$\frac{T_{uc}}{T_x}\ast \frac{\left(\tau s+1\right)}{{\eta }_m{\eta }_t{\eta }_c}\ast \frac{{\left[\frac{p_i}{p_{uc}}\right]}^{\mathrm{\mu }}-1}{1-{\left[\frac{p_s}{p_x}\right]}^{\mathrm{\mu }}}=\frac{W_t}{W_c}\cong \frac{W_c^d+W_f^d}{W_c}$$

  
• Wobei eine verzögerte MAF-Strömung W^d _c und eine verzögerte Kraftstoffströmung W^d _f verwendet werden, um die aktuelle Turbinenströmung zu ersetzen.
• Die Turbinenleistung 515 wird in ein Modul 504 der Beziehung zwischen Turbinenleistung und Turbinenströmung wie auch zusätzliche Systemeingaben 516 eingegeben, welche einen Druck am Turbineneingang p_t,in, eine Temperatur am Turbineneingang T_t,in und einen Druck am Turbinenausgang p_t,out, umfassen können. Das Modul 504 der Beziehung zwischen Turbinenleistung und Turbinenströmung gibt auf der Grundlage dieser Eingaben eine Turbinenströmung W_t 517 aus. Die Turbinenströmung 517 wird dann in das Modul 505 der VGT-Strömungsgleichung eingegeben, welches ein inverses Systemmodell verwenden kann, um die Turbinenströmung 517 in einen VGT-Steuerungsbefehl u_vgt 519 zu transformieren. Das VGT-Inversionsmodell umfasst das Ermitteln einer Sollströmung durch die Turbine hindurch unter Verwendung einer Krümmerströmung/Krümmerenthalpie-Bilanz wie folgt: $$W_t=FF\left({\overline{P}}_l,{\overline{r}}_{HP},r_{HP}\right)+FBK\left(P_i-{\overline{P}}_i\right)$$

  

  wobei

FF

der Vorsteuerungsterm ist,

FBK

der Rückkopplungsterm ist,

P _l

ein Ansaugzieldruck ist, und

r _HP

eine Hochdruck-AGR-Zielrate ist.

• Ein Zielabgasdruck (Turbineneinlassdruck) wird aus der Sollverstärkung und der Kompressorströmung unter Verwendung der Turboladerleistungsbilanz gefunden. $$\frac{1}{{\eta }_m{\eta }_t{\eta }_c}\ast \frac{1}{T_{t,in}}\ast \frac{{\overline{W}}_c\ast T_{c,in}\ast \left[\left(\frac{{\overline{P}}_{boost}}{P_{c,in}}\right)-1\right]}{\left({\overline{W}}_c+{\overline{W}}_f\right)}=1-{\left(\frac{P_{t,out}}{{\overline{P}}_{t,in}}\right)}^{\mathrm{\mu }}$$

  
• Wobei ein Term x1 äquivalent zu $\frac{1}{T_{t,in}}\ast {\overline{W}}_c\ast T_{c,in}\ast \left[\left(\frac{{\overline{P}}_{boost}}{P_{c,in}}\right)-1\right]$

  

  und ein Term x2 äquivalent zu der Summe aus der Kompressor-Zielströmung und der Kraftstoff-Zielströmung ist. Wenn die Terme x1 und x2 in eine Regression eingegeben werden, welche Daten auf der Grundlage von x1 und x2 anpasst, wird ein Wert y ermittelt. Der Abgas-Zieldruck kann dann auf der Grundlage der Inversion (1-y)^-1/µ berechnet werden. Die VGT-Position, die für die Sollströmung durch die Turbine bei dem Turbineneinlass-Zieldruck benötigt wird, kann dann unter Verwendung der folgenden VGT-Strömungsbeziehungen herausgefunden werden. $${\text{W}}_{\text{t}}=\text{A}\left({\text{u}}_{\text{vgt}}\right)\ast \frac{{\overline{\text{P}}}_{\text{t}\text{,in}}}{\sqrt{{\text{RT}}_{\text{t}\text{,in}}}}\mathrm{\Psi }\left(\frac{{\overline{P}}_{t,in}}{P_{t,out}}\right)$$

  

  $$\text{A}\left({\text{u}}_{\text{vgt}}\right)=\frac{W_t}{\mathrm{\Psi }\left(\frac{{\overline{P}}_{t,in}}{P_{t,out}}\right)}\ast \frac{\sqrt{{\text{RT}}_{\text{t}\text{,in}}}}{P_{t,out}}\ast \frac{P_{t,out}}{{\overline{P}}_{t,in}}$$

  
• Ein Term z1 ist äquivalent zu $\frac{W_t}{\mathrm{\Psi }\left(\frac{{\overline{P}}_{t,in}}{P_{t,out}}\right)}\ast \frac{\sqrt{{\text{RT}}_{\text{t}\text{,in}}}}{P_{t,out}},$

  

  und ein Term z2 ist äquivalent zu $\frac{P_{t,out}}{{\overline{P}}_{t,in}}.$

  

  Wenn die Terme z1 und z2 in eine Regression eingegeben werden, welche Daten auf der Grundlage von z1 und z2 anpasst, wird ein Vorsteuerungs-VGT-Positionsbefehl u_vgt ermittelt. Dieser Befehl wird dann verwendet, um die VGT des Luftladungssystems zu steuern, um einen Verstärkungszieldruck zu erreichen.
• 6 stellt auf graphische Weise ein beispielhaftes AGR-Steuerungsschema dar, das einen Vergleich einer gemessenen AGR-Rate und einer Soll-AGR-Rate mit einer prozentualen Öffnung eines AGR-Aktors in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung enthält. Die AGR-Rate wird nur unter Verwendung der LP-AGR-Schleife gesteuert. Eine Aufzeichnung 601 stellt eine AGR-Rate 604 als Funktion der Zeit 603 dar. Eine gemessene AGR-Rate ist als Linie 610 dargestellt. Eine Sollrate ist als Linie 611 dargestellt. Eine Aufzeichnung 602 stellt eine prozentuale Öffnung 605 eines AGR-Aktors als Funktion der Zeit 603 dar. Da die AGR-Rate nur unter Verwendung der LP-AGR-Schleife gesteuert wird, wird die Öffnungsposition 612 des LP-AGR-Aktors gesteuert, um die prozentuale Öffnung 605 als Funktion der Zeit schrittweise zu erhöhen. Die Öffnungsposition 613 des HP-AGR-Aktors bleibt die ganze Zeit über ungeöffnet bei 0%.
• 7 stellt auf graphische Weise ein beispielhaftes Verstärkungssteuerungsschema dar, wobei sowohl Hochdruck-AGR-Strömungen als auch Niederdruck-AGR-Strömungen berücksichtigt werden, das einen Vergleich eines gemessenen Ansaugkrümmerdrucks und eines Soll-Ansaugkrümmerdrucks mit einer prozentualen Öffnung eines VGT-Aktors in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung enthält. Die VGT-Vorsteuerung ist modellbasiert und umfasst, wie die AGR geliefert wird, wobei sie sowohl LP-AGR-Raten als auch HP-AGR-Raten berücksichtigt. Eine Aufzeichnung 701 stellt einen Druck 704 als Funktion der Zeit 703 dar. Ein Ansaugkrümmer-Solldruck p_i ist konstant und ist durch Linie 711 dargestellt. Eine Aufzeichnung 702 stellt die prozentuale Öffnung 705 des VGT-Aktors als Funktion der Zeit 703 dar. Die Öffnungsposition 712 des VGT-Aktors ist gezeigt. Es ist gezeigt, dass der gemessene Ansaugkrümmerdruck 710 die Soll-Zielverstärkung (Ansaugkrümmerdruck p_i) 711 erreicht und dieser folgt, wenn die Öffnungsposition 712 des VGT-Aktors unter Verwendung der Vorsteuerungsverfahren in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung automatisch moduliert wird.
• 8 stellt auf graphische Weise beispielhafte Daten dar, die eine tatsächliche VGT-Strömung 811 und eine geschätzte VGT-Strömung 812 in Übereinstimmung mit dem Vorsteuerungs-VGT-Modell der vorliegenden Offenbarung vergleichen. Über die Abtastgröße 802 folgt die VGT-Strömungsanpassung 803 zwischen der tatsächlichen VGT-Strömung 811 und der geschätzten VGT-Strömung 812 genau.
• 9 stellt auf graphische Weise beispielhafte Daten dar, welche einen berechneten Turbineneinlasszieldruck 912 und einen gemessenen Turbineneinlasszieldruck 911 in Übereinstimmung mit dem Vorsteuerungs-VGT-Modell der vorliegenden Offenbarung vergleichen. Über die Abtastgröße 902 folgt die VGT-Strömungsanpassung 903 zwischen dem tatsächlichen berechneten Turbineneinlasszieldruck 912 und dem gemessenen Turbineneinlasszieldruck 911 genau.
• 10 stellt einen beispielhaften Prozess einer modellbasierten Turboladervorsteuerung 1000 einer Brennkraftmaschine, die ein AGR-System mit einer Hochdruck-AGR-Schleife und einer Niederdruck-AGR-Schleife enthält, in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung dar. Tabelle 1 wird als Schlüssel bereitgestellt, wobei die numerisch beschrifteten Blöcke und die zugehörigen Funktionen wie folgt offengelegt sind. Tabelle 1

  BLOCK	BLOCKINHALTE
  1001	Ziel-AGR-Rate und Ansaugkrümmer-Zieldruck überwachen
  1002	Tatsächliche AGR-Rate überwachen
  1003	Kompressorströmung auf der Grundlage der Ziel-AGR-Rate, des Ansaugkrümmer-Zieldrucks und der tatsächlichen AGR-Rate ermitteln
  1004	Betriebsbedingungen eines Kompressors in dem Luftladungssystem und Betriebsbedingungen einer Turbine in dem Luftladungssystem überwachen
  1005	Von dem Kompressor in dem Luftladungssystem angeforderte Leistung auf der Grundlage der Kompressorströmung, des Ansaugkrümmer-Zieldrucks und der überwachen Betriebsbedingungen des Kompressors ermitteln
  1006	Von der Turbine zu erzeugende Leistung auf der Grundlage der Leistung, die von dem Kompressor angefordert wird, ermitteln
  1007	Eine Turbinenströmung auf der Grundlage der von der Turbine zu erzeugenden Leistung und der überwachten Betriebsbedingungen der Turbine ermitteln
  1008	Einen Systemsteuerungsbefehl für das Luftladungssystem auf der Grundlage der Turbinenströmung und der überwachten Betriebsbedingungen der Turbine ermitteln
  1009	Das Luftladungssystem auf der Grundlage des Systemsteuerungsbefehls steuern

• Die Offenbarung hat bestimmte bevorzugte Ausführungsformen und Modifikationen dazu beschrieben. Beim Lesen und Verstehen der Beschreibung können anderen weitere Modifikationen und Veränderungen einfallen. Es ist daher beabsichtigt, dass die Offenbarung nicht auf die speziellen Ausführungsformen begrenzt ist, die so offenbart sind, dass sie als die beste Art betrachtet werden, um diese Offenbarung auszuführen, sondern dass die Offenbarung alle Ausführungsformen enthalten wird, die in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen.

Claims (8)

1. Verfahren zur modellbasierten Steuerung eines Luftladungssystems (311) in einer Brennkraftmaschine (10), die ein Abgasrückführungssystem mit einer Hochdruck-Abgasrückführungsschleife und einer Niederdruck-Abgasrückführungsschleife enthält, wobei das Verfahren umfasst, dass: eine tatsächliche Abgasrückführungsrate überwacht wird (1002); Betriebsbedingungen eines Kompressors (45) in dem Luftladungssystem (311) und Betriebsbedingungen einer Turbine (46) in dem Luftladungssystem (311) überwacht werden (1004); eine Kompressorströmung (W_c) auf der Grundlage eines Ansaugkrümmer-Zieldrucks und der tatsächlichen Abgasrückführungsrate ermittelt wird (1003); eine Leistung, die von dem Kompressor (45) in dem Luftladungssystem (311) angefordert wird, auf der Grundlage der Kompressorströmung (W_c), des Ansaugkrümmer-Zieldrucks und der überwachten Betriebsbedingungen des Kompressors (45) ermittelt wird (1005); eine von der Turbine zu erzeugende Leistung auf der Grundlage der Leistung, die von dem Kompressor (45) angefordert wird, ermittelt wird (1006); eine Turbinenströmung auf der Grundlage der von der Turbine (46) zu erzeugenden Leistung und der überwachten Betriebsbedingungen der Turbine (46) ermittelt wird (1007); ein Systemsteuerungsbefehl für das Luftladungssystem (311) auf der Grundlage der Turbinenströmung und der überwachten Betriebsbedingungen der Turbine (46) ermittelt wird (1008); und das Luftladungssystem (311) auf der Grundlage des Systemsteuerungsbefehls gesteuert wird (1009); wobei das Überwachen der tatsächlichen Abgasrückführungsrate umfasst, dass eine Gesamt-Abgasrückführungsrate im Zylinder überwacht wird, welche eine Rate mit einer Hochdruck-Abgasrückführung und eine Rate mit Niederdruck-Abgasrückführung enthält.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Luftladungssystem (311) einen Turbolader mit variabler Geometrie umfasst, welcher die Turbine (46) und den Kompressor (45) enthält.
3. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst, dass die Gesamt-Abgasrückführungsrate im Zylinder nur unter Verwendung von Steuerungsventilen des Niederdruck-Abgasrückführungssystems gesteuert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Gesamt-Abgasrückführungsrate im Zylinder durch die folgende Beziehung ausgedrückt wird. $$r=r_{HP}+\left(1-r_{HP}\right)\ast r_{LP}$$

   

   wobei r die Gesamt-Abgasrückführungsrate im Zylinder ist, r_HP die Hochdruck-Abgasrückführungsrate ist, r_LP die Niederdruck-Abgasrückführungsrate ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kompressorströmung (W_c) in Übereinstimmung mit der folgenden Beziehung ermittelt wird: $$W_c=\left(1-r_{HP}\right)\ast {\mathrm{\eta }}_{\text{v}}\frac{{\text{v}}_{\text{d}}}{120\text{R}\ast {\text{T}}_{\text{i}}}\text{N}\ast p_i$$

   

   wobei W_c eine Kompressorströmung ist, r_HP eine Hochdruck-Abgasrückführungsrate ist, η_v ein volumetrischer Wirkungsgrad ist, R eine universelle Gaskonstante ist, T_i eine Ansaugtemperatur ist, V_d ein Hubraumvolumen ist, N eine Kraftmaschinendrehzahl ist, und p_i ein Ansaugkrümmerdruck ist.
6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ermitteln des Systemsteuerungsbefehls für das Luftladungssystem (311) umfasst, dass: ein Turbineneinlass-Zieldruck auf der Grundlage eines Ansaugkrümmersolldrucks und der Kompressorströmung ermittelt wird; und der Systemsteuerungsbefehl ermittelt wird, der benötigt wird, um die Turbinenströmung bei dem Turbineneinlass-Zieldruck zu erreichen.
7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ermitteln der Leistung, die von dem Kompressor (45) in dem Luftladungssystem (311) angefordert wird, auf der Grundlage der Kompressorströmung, des Ansaugkrümmer-Zieldrucks und der überwachten Betriebsbedingungen des Kompressors (45) umfasst, dass die folgende Beziehung verwendet wird. $$P_c=W_c{T}_{uc}{c}_p\left[{\left(\frac{p_i}{p_{uc}}\right)}^{\mu }-1\right]/{\eta }_c$$

   

   wobei P_c eine von dem Kompressor angeforderte Leistung ist, W_c eine Kompressorströmung ist, T_uc eine Temperatur stromaufwärts zu dem Kompressor ist, c_p eine spezifische Wärme bei konstantem Druck ist, p, ein Einlassdruck ist, p_uc ein Druck stromaufwärts zu dem Kompressor ist, µ ein spezifisches Wärmeverhältnis ist, und η_c ein Wirkungsgrad des Kompressors ist.
8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ermitteln einer Turbinenströmung auf der Grundlage der von der Turbine (46) zu erzeugenden Leistung und der überwachten Betriebsbedingungen der Turbine (46) umfasst, dass die folgende Beziehung verwendet wird. $$P_t=c_p{T}_x{W}_t{\eta }_t\left[1-{\left[\frac{p_s}{p_x}\right]}^{\mathrm{\mu }}\right]$$

   

   wobei P_t die von der Turbine (46) zu erzeugende Leistung ist, η_t ein Turbinenwirkungsgrad ist, T_x eine Abgastemperatur ist, p_s ein Turbinenauslassdruck ist, und p_x ein Abgasdruck ist.

Images