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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zum
Bestimmen des Abgasrezirkulationsflusses (EGR = Exhaust Gas Recirculation) für einen
Vielzylindermotor mit interner Verbrennung.
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2. Hintergrund
der Erfindung
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Um
die Geschwindigkeit bzw. Leistungsfähigkeit zu verbessern, haben
viele Motoren mit interner Verbrennung, insbesondere Dieselmotoren,
einen Turbolader, um die Sauerstoffdichte der Zylinderladung zu
erhöhen.
Turbolader verwenden die Motorabgase, um eine Turbine zu betreiben,
die wiederum einen Kompressor zum Verdichten der Ansaugluft antreibt.
Turbolader mit variabler Geometrie (VGT = Variable Geometry Turbocharger)
werden verwendet, die Turbolader mit variabler Düse (VNT = Variable Nozzle Turbocharger)
enthalten, um die Turboladereigenschaften über einen weiteren Motorbetriebsbereich
als mit herkömmlichen
Turboladern möglich zu
modifizieren. Bewegbare Ansaug- und Auslassschaufeln (VNT) oder
eine bewegbare Turbinenseitenwand können verwendet werden, um einen
geeigneten Wert des Turboverstärkungsdrucks
für laufende
Betriebsbedingungen und ein vom Fahrer angefordertes Motordrehmoment
bereitstellen zu können.
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Die
Abgasrezirkulation (EGR) ist für
Vorteile bezüglich
der Reduzierung von Emissionen von Stickstoffoxiden (NOx) durch
Reduzieren der Spitzenverbrennungstemperaturen innerhalb der Motorzylinder
während Übergangs-
und Gleichgewichtsbetriebsbe dingungen bekannt. Ein typisches EGR-System
kann ein EGR-Ventil
enthalten, das Motorabgase von der Motorabgaskrümmeranlage zu der Motoransaugkrümmeranlage
ableitet. Das EGR-Ventil kann vom Ein/Aus-Typ oder vom modulierenden
(proportionalen) Typ sein, um den EGR-Fluss zu regulieren, und kann
an verschiedenen Stellen in dem EGR-Kreis eingebaut sein. Zudem
ist oft ein EGR-Kühler
zum Kühlen
des abgeleitete Abgases mit einer Ratenmessvorrichtung vorgesehen,
um die Menge oder die Flussrate des abgeleiteten bzw. abgezweigten
Abgases mit einer geeigneten Röhre oder
Rohrleitung bestimmen zu können,
die die Abgasseite des Motors (Abgaskrümmeranlage oder Turboladerturbine)
mit der Ansaugseite des Motors (Ansaugkrümmer oder Ansaugrohr) verbindet.
Die Überwachung
des EGR-Flusses wird durch eine elektronische Motorsteuereinheit
(ECU = Electronic Engine Control Unit) in Kommunikation mit dem EGR-Ventil
und der Flussratenmessvorrichtung durchgeführt, wobei die ECU eine Steuerung
bzw. Regelung des EGR-Flusses mit geschlossenem Kreis bereitstellt,
wenn die Betriebsbedingungen dies zulassen. Die ECU reguliert den
VGT und/oder das EGR-Ventil auf der Basis des Eingangssignals von der
Ratenmessvorrichtung. Weitere Modifikationen dieser Anordnung können eine
Mischvorrichtung an der Stelle des EGR-Gaseintritts in den Einlasskrümmer und/oder
eine Venturi-Vorrichtung enthalten, um ein Differenzial mit negativem
Druck entlang des Motors zu erzeugen, wie es erforderlich ist, um
einen EGR-Fluss von der Abgasseite zu der Ansaugseite des Motors
anzutreiben. Die ECU erfordert eine genaue Flussratenmessung und
reagierende Steuervorrichtungen (EGR-Ventil und/oder VGT), um eine geeignete Übergangssteuerung
und Gleichgewichtssteuerung bereitzustellen, damit die erwartete
Leistungsfähigkeit
und die reduzierenden Emissionen erzeugt werden können.
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Die
Optimierung der Motoremissionen, der Leistungsfähigkeit und der Verbrauchswirtschaftlichkeit
hängt von
der Genauig keit, der Antwort und der Dauerhaftigkeit der EGR-Systemkomponenten,
insbesondere von der EGR-Messvorrichtung, ab. Ein Verfahren der
EGR-Messung liefert eine bekannte Begrenzung in dem EGR-Kreis und
misst die Temperatur und den Druckabfall entlang der Begrenzung, um
die EGR-Rate bzw. -Geschwindigkeit zu bestimmen. Wenn die Begrenzung
ansteigt, steigt auch die Genauigkeit der Ratenberechnung an. Je
stärker
die Begrenzung die Fließfähigkeit
der EGR hemmt, desto weniger genau ist sie jedoch bei niedrigen
Flussraten und kann einem Verschmutzen unterliegen. Die Begrenzung
erfordert auch, dass der VGT derart gesteuert wird, dass er einen
größeren Rückdruck
bereitstellt, um den geeigneten Wert der EGR antreiben zu können, was
Auswirkungen auf die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Turbovorrichtung
hat. Zudem ist die Antwort bzw. das Antwortverhalten direkt auf die
Temperatursensorantwortzeit bezogen, die in einer Größenordnung
von 10 bis 15 Sekunden sein kann und die eine Übergangssteuerung bzw. eine Einschwingsteuerung
schwieriger und komplexer macht. Obwohl Softwarestrategien angewendet
werden können,
um die Antwortzeit durch Voraussagen des Temperaturanstiegs zu verbessern,
kann die rauhe EGR-Umgebung eine Rußbildung mit der Zeit auf dem
erfassenden Element bzw. Sensorelement ergeben, was die Genauigkeit
und die Eigenschaften bzw. Leistungsfähigkeit verschlechtert.
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Ein
thermisches Anemometer kann verwendet werden, um den EGR-Fluss zu messen.
Wiederum ist die Optimierung der Leistungsfähigkeit, des Verbrauchs und
der Emissionen eine Funktion der Genauigkeit, der Antwort und der
Lebensdauer der EGR-Ratenmessvorrichtung.
Die Anemometergenauigkeit hängt
von der spezifischen Wärme
des Gases, das gemessen wird, ab. Für einen EGR-Kreis kann die
spezifische Wärme
des Abgases um bis zu 10% über
dem Betriebsbereich eines Dieselmotors variieren. Die Antwort einer
Anemometervorrichtung hängt
von der Temperatur- Steuereinheit
und der Heizelementauslegung ab. Die Lebensdauer hängt von der
Neigung zum Verschmutzen und Verstopfen ab.
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ÜBERBLICK ÜBER DIE
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein System und ein Verfahren zum Berechnen
der EGR-Flussrate, das ein genaueres, schneller reagierendes, dauerhafteres
und/oder zuverlässigeres
System enthält, und
ein Verfahren zum Messen oder Berechnen des EGR-Flusses bereit.
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In
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung enthält
ein Verfahren zum Bestimmen des EGR-Flusses in einem Vielzylindermotor
mit Innenverbrennung, der einen Sensor zum Bereitstellen eines Signals
hat, das den Fluss von Abgas durch einen EGR-Kreis angibt, das Bestimmen
der spezifischen Wärme
des Abgases auf der Basis der momentanen Motorbetriebszustände und
das Bestimmen der EGR-Flussrate auf der Basis der bestimmten spezifischen
Wärme und
des Signals, das von dem Sensor bereitgestellt wird. Ein Artenverfolgungsmodell
wird verwendet, um die Menge der verschiedenen Arten bzw. Stoffe
innerhalb des Abgases bestimmen zu können, die z.B. Sauerstoff,
Stickstoff, Kohlendioxid und Wasser enthalten können, um die momentane spezifische
Wärme zu
bestimmen. Die momentane spezifische Wärme wird mit der spezifischen
Wärme verglichen,
für die
der Sensor kalibriert worden ist, wobei die Differenz verwendet
wird, um den Sensorwert einzustellen und um die EGR-Massenflussrate
bestimmen zu können.
Ein Verbrennungsmodell kann in Verbindung mit dem Artenverfolgungsmodell
verwendet werden, um den Wert jeder Art bzw. jedes Stoffs in dem
Abgas auf der Basis verschiedener Motorbetriebsparameter bestimmen zu
können,
z.B. des Verbrauchs, des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses und der Turboverstärkung.
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine Anzahl von Vorteilen bezüglich des
Standes der Technik bereit. Zum Beispiel stellt die vorliegende
Erfindung eine genauere, zuverlässigere
und dauerhaftere EGR-Flussmessvorrichtung bereit, um die Motorleistungsfähigkeit,
den Verbrauch und Emissionen optimieren zu können. Die Verwendung eines
Flussmesssensors vom Anemometer-Typ
eliminiert irgendeine Begrenzung in dem EGR-Kreis, die ansonsten
für einen
Deltadrucksensor erforderlich wäre,
was die Lebensdauer der Turbovorrichtung durch Reduzieren des erforderlichen
Rückdruckes
verbessern kann. Die vorliegende Erfindung stellt eine genauere
Bestimmung des EGR-Flusses unter Verwendung einer Online-Bestimmung
der momentanen spezifischen Wärme
des Abgases, das durch den EGR-Kreis fließt, unter Verwendung eines
Stoffartenverfolgungsmodells auf der Basis der momentanen Motorbetriebsparameter
und Zustände
bereit.
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Die
vorstehenden Vorteile und weitere Vorteile, Aufgaben und Merkmale
der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung
der besten Ausführung
zum Ausführen der
Erfindung vollständig
ersichtlich, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen
verwendet wird.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein Blockdiagramm,
das eine Anwendung eines Systems oder Verfahrens zum Bestimmen des
EGR-Flusses gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 ist ein Blockdiagramm,
das ein beispielhaftes EGR-System zum Bestimmen des EGR-Flusses
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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3 ist ein Blockdiagramm,
das die Verwendung eines Artenverfolgungsmodells zum Bestimmen des
EGR-Flusses und zum Steuern eines EGR-Ventils und/oder des VGT gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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4 ist ein Flussdiagramm,
das den Betrieb eines Systems oder eines Verfahrens zum Bestimmen
des EGR-Flusses gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt; und
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5 ist ein Blockdiagramm,
das eine alternative Darstellung bereitstellt, um die Berechnung des
EGR-Massenflusses gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zu erläutern.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM(EN)
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1 stellt ein schematisches
Blockdiagramm bereit, das den Betrieb eines Systems oder eines Verfahrens
für die
EGR-Flussmessung
in einer beispielhaften Anwendung gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt. System 10 enthält einen
Motor mit interner Verbrennung, z.B. einen Dieselmotor 12,
der in einem Fahrzeug 14 in Abhängigkeit von der speziellen
Anwendung eingebaut sein kann. In einer Ausführungsform umfasst das Fahrzeug 14 eine
Zugmaschine 16 und einen Sattelanhänger 18. Der Dieselmotor 12 ist
in der Zugmaschine 16 installiert und hat Schnittstellen
mit verschiedenen Sensoren und Aktuatoren, die an dem Motor 12,
der Zugmaschine 16 und dem Sattelanhänger 18 angeordnet
sind, über
Motor- und Fahrzeugkabelbäume,
wie genauer unten stehend beschrieben wird. In weiteren Anwendungen
kann der Motor 12 dazu verwendet werden, industrielle Vorrichtungen
oder Baumaschinen anzutreiben, oder er kann in stationären Anwendungen
zum Antreiben von Generatoren, Kompressoren und/oder Pumpen und Ähnlichem
verwendet werden.
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Ein
elektronischer Motorsteuermodul (ECM = Electronic Engine Control
Module) 20 empfängt
Signale, die durch den Motorsensoren 22 und die Fahrzeugsensoren 24 erzeugt
werden und verarbeitet die Signale, um den Motor und/oder die Fahrzeugaktuatoren,
z.B. Treibstoffeinspritzer 26, zu steuern. Der ECM 20 enthält bevorzugt
computerlesbare Speichermedien, die allgemein durch das Bezugszeichen 28 angegeben
sind, zum Speichern von Daten, die Befehle wiedergeben, welche durch
einen Computer ausgeführt
werden, um den Motor 12 zu steuern. Computerlesbare Speichermedien 28 können auch Kalibrierinformationen
zusätzlich
zu Arbeitsvariablen, Parametern und Ähnlichem enthalten. In einer
Ausführungsform
enthalten die computerlesbaren Speichermedien 28 einen
Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM) 30 zusätzlich zu
verschiedenen nicht-flüchtigen
Speichern, z.B. einem Nur-Lesespeicher (ROM) 32 und einem
Keep-Alive-Speicher
(KAM) 34. Computerlesbare Speichermedien 28 kommunizieren
mit einem Mikroprozessor 38 und einer Eingangs/Ausgangs(I/O)-Schaltung 36 über einen
Standard-Steuer/Adressbus.
Wie von einem Fachmann geschätzt wird,
können
computerlesbare Speichermedien 28 verschiedene Typen von
physikalischen Vorrichtungen für
eine temporäre
und/oder dauerhafte Speicherung von Daten enthalten, die Festkörpervorrichtungen,
magnetische Vorrichtungen, optische Vorrichtungen und Kombinationsvarrichtungen
enthalten. Zum Beispiel können
die computerlesbaren Speichermedien 28 unter Verwendung
einer oder mehrerer, physikalischer Vorrichtungen, z.B. eines DRAM, PROMS,
EPROMS, EEPROMS, eines Flash-Speichers und Ähnlichen, implementiert sein.
In Abhängigkeit
von der speziellen Anwendung können
computerlesbare Speichermedien 28 auch Floppy-Disketten, CD-ROM
und Ähnliches
enthalten.
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In
einer typischen Anwendung verarbeitet der ECM 20 Eingänge von
Motorsensoren 22 und von Fahrzeugsensoren/Schaltern 24 durch
Ausführen
von Befehlen, die in den computerlesbaren Speichermedien 28 gespeichert
sind, um geeignete Ausgangssignale für die Steuerung des Motors 12 erzeugen
zu können.
In Abhängigkeit
von der bestimmten Anwendung kann das System 10 verschiedene
Typen von Sensoren enthalten, um Motor- und Fahrzeugbetriebszustände überwachen
zu können.
Zum Beispiel können
Sensoren mit einem variablen, magnetischen Widerstand verwendet
werden, um die Kurbelwellenposition und/oder die Motorgeschwindigkeit
zu überwachen.
Sensoren mit variabler Kapazität
können
verwendet werden, um verschiedene Drücke, z.B. den barometrischen
Luftdruck, den Abgasdruck, den Ölgaleriedruck
und optionale Pumpdrücke
zu überwachen.
Verschiedene Widerstandssensoren können verwendet werden, um Positionen, z.B.
die Drosselklappenposition (Gas-Fußpedal) zu überwachen. Magnetische Aufnahmesensoren
können
verwendet werden, um die Fahrzeuggeschwindigkeit, den akkumulierten
Fahrweg und verschiedene weitere Fahrzeugmerkmale erfassen zu können. Ähnlich können Thermistoren
verwendet werden, um verschiedene Temperaturen, z.B. die Kühlmittel-,
die Öl-
und Umgebungslufttemperatur zu überwachen.
In einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung können
Motorsensoren 22 einen Timingreferenzsensor (TRS) 40 enthalten,
der eine Angabe der Kurbelwellenposition bereitstellt und der verwendet
werden kann, um die Motorgeschwindigkeit zu bestimmen. Ein Öldrucksensor
(OPS) 22 und ein Öltemperatursensor
(OTS) 44 werden verwendet, um den Druck des Motoröls bzw.
die Temperatur des Motoröls
zu überwachen.
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Ein
Lufttemperatursensor (ATS) 46 wird verwendet, um eine Angabe
der momentanen Ansauglufttemperatur bereitzustellen. Ein Turboladedrucksensor
(TBS = Turbo Boost Sensor) 48 wird verwendet, um eine Angabe
des Ladedrucks eines Turboladers bereitstellen zu können, der
bevorzugt ein Turbolader mit variabler Geometrie oder mit variabler Düse ist,
wie genauer nachfolgend beschrieben wird. Der Kühlmitteltemperatur sensor (CTS) 50 wird
verwendet, um eine Anzeige der Kühlmitteltemperatur bereitstellen
zu können.
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In
Abhängigkeit
von dem speziellen Motoraufbau und der speziellen Motoranwendung
können
verschiedene zusätzliche
Sensoren enthalten sein. Zum Beispiel enthalten Motore, die die
Abgasrezirkulation (EGR) gemäß der vorliegenden
Erfindung verwenden, bevorzugt einen EGR-Temperatursensor (ETS) 51 und
einen EGR-Flusssensor (EFS) 53. Der EFS 53 ist
bevorzugt ein Sensor vom thermischen Anemometer-Typ, der die Energie
berechnet, die durch ein Heizelement abgegeben wird, um die Massenflussrate
des EGR durch den EGR-Kreis bestimmen zu können. Das geheizte Element
stellt bevorzugt ein pyrolitisches Reinigen durch Heizen auf eine
Temperatur bereit, um ein Verrußen
reduzieren oder verhindern zu können.
Die EGR-Massenflussrate wird auf der Basis der spezifischen Wärme des EGR-Gases
bestimmt, wie gemäß der vorliegenden Erfindung
bestimmt wird und genauer unten stehend beschrieben wird.
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Applikationen,
die ein Kraftstoffsystem mit gemeinsamer Kraftstoffleitung verwenden,
können einen
entsprechenden Kraftstoffdrucksensor (CFPS) 52 enthalten. Ähnlich können ein
Zwischenkühler-Kühlmitteldrucksensor
(ICPS) 54 und ein Zwischenkühler-Temperatursensor (ICTS) 56 vorgesehen
sein, um den Druck bzw. die Temperatur des Zwischenkühler-Kühlmittels
erfassen zu können.
Der Motor 12 enthält
bevorzugt auch einen Kraftstofftemperatursensor (FTS) 58 und
einen Synchronreferenzsensor (SRS) 60. Der SRS 60 stellt
eine Anzeige eines spezifischen Zylinders in der Zündordnung
für den
Motor 12 bereit. Dieser Sensor kann verwendet werden, um
die Steuerung einer Mehrfachmotorkonfiguration koordinieren oder
synchronisieren zu können,
wie sie zum Beispiel in einigen stationären Generatoranwendungen verwendet
wird. Ein EGR-Kühler
(nicht gezeigt) und ein entsprechender Temperatursensor können auch verwendet
werden, um Rezirkulationsabgas vor der Einführung in die Motoransaugung
zu kühlen.
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Der
Motor 12 kann auch einen Ölpegelsensor (OLS) 62 enthalten,
um verschiedene Motorschutzmerkmale bereitzustellen, die sich auf
einen niedrigen Ölpegel
beziehen. Ein Kraftstoffbegrenzungssensor (FRS) 64 kann
verwendet werden, um einen Kraftstofffilter zu überwachen und eine Warnung
für präventive
Wartungszwecke bereitzustellen. Ein Kraftstoffdrucksensor (FPS) 68 liefert
eine Anzeige für
den Kraftstoffdruck, um vor einem bevorstehenden Leistungsverlust
oder einer Motorkraftstoffversorgung bzw. Tanken zu warnen. Ähnlich stellt
ein Kurbelwellengehäusedrucksensor
(CPS) 66 eine Anzeige des Kurbelwellengehäusedruckes
bereit, die für
verschiedene Motorschutzeigenschaften verwendet werden kann, indem
eine plötzliche
Erhöhung des
Kurbelwellengehäusedruckes
detektiert wird, die eine Motorschlechtfunktion anzeigt.
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Das
System 10 enthält
bevorzugt verschiedene Fahrzeugsensoren/Schalter 24, um
die Fahrzeugbetriebsparameter und die Fahrereingabe überwachen
zu können,
die beim Steuern des Fahrzeugs 14 und des Motors 12 verwendet
werden. Zum Beispiel können
die Fahrzeugsensoren/Schalter 24 einen Fahrzeuggeschwindigkeitssensor
(VSS) enthalten, der eine Anzeige der momentanen Fahrzeuggeschwindigkeit
bereitstellt. Ein Kühlmittelpegelsensor (CLS) 72 überwacht
den Pegel des Motorkühlmittels in
einem Fahrzeugkühler.
Schalter, die für
die Auswahl eines Motorbetriebsmodus oder für einen sonstigen Steuerungsbetrieb
des Motors oder des Fahrzeugs verwendet werden, können einen
Motorbremsauswahlschalter 74, der bevorzugt eine Niedrig-, Medium-,
Hoch- und Aus-Auswahl bereitstellt, Fahrsteuerungsschalter 76, 78 und 80,
einen Diagnoseschalter 82 und verschiedene optionale digitale und/oder
analoge Schalter 84 aufweisen. Der ECM 20 empfängt auch
Signale, die mit einem Gas- oder Fußpedal 86,
einer Kupplung 88 und einer Bremse 90 verbunden
sind. Der ECM 20 kann auch die Position eines Schlüsselschalters 92 und
einer Systemspannung überwachen,
die von einer Fahrzeugbatterie 94 bereitgestellt wird.
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Der
ECM 20 kann mit verschiedenen Fahrzeugausgangsvorrichtungen,
z.B. Statusanzeigern/Lichtern 96, analogen Anzeigen 98,
digitalen Anzeigen 100 und verschiedenen Analog/Digital-Anzeigen 102 kommunizieren.
In einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet der ECM 20 eine Industriestandard-Datenverbindung 104,
um verschiedene Status- und/oder Steuernachrichten zu senden, die
die Motorgeschwindigkeit, die Gaspedalposition, die Fahrzeuggeschwindigkeit
und Ähnliches enthalten.
Bevorzugt stimmt die Datenverbindung 104 mit SAE J1939
und SAE J1587 überein,
um verschiedene Dienste, Diagnoseinformationen und Steuerinformationen
anderen Motorsystemen, Subsystemen und verbundenen Vorrichtungen,
z.B. der Anzeige 100, bereitstellen zu können. Bevorzugt
enthält
der ECM 20 Steuerlogik, um den EGR-Fluss unter Verwendung
eines Artenverfolgungsmodells auf der Basis momentaner Motorbetriebsparameter
und -zustände
bestimmten zu können,
wie mit größerer Genauigkeit
unten stehend beschrieben wird.
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Ein
Dienstwerkzeug 106 kann periodisch über die Datenverbindung 104 verbunden
werden, um ausgewählte
Parameter, die in dem ECM 20 gespeichert sind, zu programmieren
und/oder Diagnoseinformationen von dem ECM empfangen zu können. Ähnlich kann
ein Computer 108 mit der geeigneten Software und Hardware über die
Datenverbindung 104 verbunden sein, um Informationen zu dem
ECM zu übertragen
und verschiedene Informationen zu empfangen, die sich auf den Betrieb
des Motors 12 und/oder des Fahrzeugs 14 beziehen.
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2 ist ein Blockdiagramm,
das ein beispielhaftes EGR-System
mit einem verbundenen EGR-Temperatursensor und EGR-Flusssensor in Kommunikation
einem ECM zeigt, der eine Steuerlogik hat, um den EGR-Fluss gemäß der vorliegenden Erfindung
zu bestimmen. Der Motor 120 enthält eine Ansaugkrümmeranlage 122,
eine Abgaskrümmeranlage 124 und
ein Abgasrezirkulationssystem (EGR), das allgemein durch das Bezugszeichen 126 angegeben
ist. Ein Motorsteuermodul (ECM) 128 enthält gespeicherte
Daten, die Befehle und Kalibrierungsinformationen zum Steuern des
Motors 120 wiedergeben. Der ECM 128 kommuniziert
mit verschiedenen Sensoren und Aktuatoren, einschließlich EGR-Sensoren,
z.B. dem EGR-Flusssensor 130 und dem EGR-Temperatursensor 132.
Wie vorstehend beschrieben wurde, ist der EGR-Flusssensor 130 bevorzugt ein
Sensor vom Anemometer-Typ, der ein Signal erzeugt, das auf der Konvektionskühlung eines Heizelements
durch den EGR-Fluss basiert. Der ECM 128 steuert das EGR-System 126 über Aktuatoren,
z.B, ein EGR-Ventil 134. Zudem steuert der ECM 128 bevorzugt
einen Turbolader mit variabler Düse
oder einen Turbolader mit variabler Geometrie 138 (VGT)
und überwacht
einen zugeordneten Turbogeschwindigkeitssensor 140 und
einen Turboladedrucksensor, wie mit Bezug auf 1 beschrieben wurde.
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Beim
Betrieb steuert der ECM 128 das EGR-System 126 und
den VGT 138 auf der Basis der momentanen Betriebszustände und
der Kalibrierungsinformationen, um rezirkulierendes Abgas mit Ladeluft über das
EGR-Ventil 134 zu mischen, die dem Motor 120 durch
die Ansaugkrümmeranlage 122 zugeführt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Motor 120 ein 6-Zylindermotor mit interner Verbrennung
und mit Kompressionszündung.
Der ECM 128 enthält
Steuerlogik für
die Überwachung
der momentanen Motorsteuerparameter und der -betriebsbedingungen,
um das EGR-Ventil 134 auf der Basis eines gewünschten
und bestimmten EGR-Flusses zu steuern. Der bestimmte EGR-Fluss ba siert
auf Signalen, die durch den EGR-Flusssensor 130 und den
EGR-Temperatursensor 132 erzeugt werden. Gemäß der vorliegenden
Erfindung enthält
der ECM 128 Steuerlogik, um die spezifische Wärme des
rezirkulierten Abgases auf der Basis der momentanen Motorbetriebsparameter
und -zustände
zu bestimmen. Die bestimmte, spezifische Wärme kann dann mit einer spezifischen
Referenzwärme
oder einer kalibrierten, spezifischen Wärme für den Flusssensor verglichen
werden, wobei die EGR-Flussbestimmung
derart eingestellt wird, dass jede Differenz zwischen der momentanen
spezifischen Wärme
des rezirkulierten Abgases und dem Referenz- oder Kalibrierungswert
berücksichtigt
wird.
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Während des
Betriebs des Motors 120 wandert die angesaugte Luft durch
den Kompressorabschnitt 150 des VGT 138, der von
dem Turbinenabschnitt 152 über heiße Abgase angetrieben wird.
Verdichtete Luft wandert durch den Ladeluftkühler 154, der bevorzugt
ein Luft-zu-Luft-Kühler
ist, der durch Pressluft 156 gekühlt wird. Ladeluft wandert
durch den Kühler 154 zu
dem Mischventil 136, das bevorzugt eine Rohreinheit ist,
wo sie mit dem rezirkulierten Abgas auf der Basis der momentanen
Motorbetriebsbedingungen kombiniert wird. Abgas, das den Motor 120 durch
die Abgaskrümmeranlage 124 verlässt, wandert
durch das EGR-Ventil 134, wo ein Teil des Abgases durch
den EGR-Kühler 158 abgeleitet wird,
den EGR-Flusssensor 130 und den Temperatursensor 132 zu
dem Mischventil 136 passiert, wo er mit der komprimierten
Ladeluft kombiniert wird. Die übrigen
Abgase, die nicht von dem EGR-Ventil 134 abgeleitet werden,
fließen
durch den Turbinenabschnitt 152 des VGT 138 und
den Schalldämpfer 160, bevor
sie in die Atmosphäre
ausgestoßen
werden. Der EGR-Kühler 158 kühlt das
erwärmte
Abgas unter Verwendung des Motorkühlmittelkreises 162.
Das Motorkühlmittel
wird wiederum über
einen Kühlventilator 164 und
Kühler 166 gekühlt.
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung enthalten Steuerlogik, die verschiedene
Eingaben bzw. Eingangssignale verarbeitet, die verschiedene Motorzustände wiedergeben,
und stellt wiederum ein EGR-Befehlssignal und ein VGT-Befehlssignal
bereit. Das EGR-Befehlssignal befiehlt eine Position für das variable
EGR-Flussventil 66, um den Gasfluss durch den Weg 64 zu
steuern, während
das VGT-Befehlssignal eine Geometrie für den VGT 52 befiehlt,
um den Gasfluss durch den Weg 60 zu steuern. In einer bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung werden die verschiedenen Techniken, die
verwendet werden, um EGR- und VGT-Befehlssignale zu bestimmen, am
besten in 3 gezeigt.
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In 3 erläutert ein Blockdiagramm 180 die Funktionen
der Steuerlogik zum Bestimmen des EGR-Flusses gemäß der vorliegenden
Erfindung. Wie vorstehend beschrieben wurde, wird in einem Dieselmotor
mit Turboladung das Druckdifferenzial, das zum Antreiben des EGR-Flusses
von der Abgaskrümmeranlage
zu der Ansaugkrümmeranlage
notwendig ist, durch den Turbolader mit variabler Geometrie bereitgestellt
oder erhöht.
Die Steuerung der EGR-Flussrate kann durch Ändern der Geometrie des VGT
(z.B. einer Flügelpositionsänderung),
durch Ändern
der EGR-Ventilposition
und bevorzugt durch eine Kombination beider erreicht werden. Verschiedene
Aspekte der vorliegenden Erfindung können jedoch getrennt oder zusammen
verwendet werden, während
noch die Vorteile der Erfindung erhalten werden. In der bevorzugten
Ausführungsform
werden das EGR-Ventil und der VGT simultan und kontinuierlich gesteuert.
Bevorzugte Implementationen der vorliegenden Erfindung verwenden
eine gewünschte
Ansaugkrümmer-Zusammensetzung
bezüglich
der chemischen Arten oder Stoffe (O2, N2, CO2 und H2O), als einen gesetzten Punkt bzw. Sollpunkt
der EGR/VGT-Steuereinheit. Die tatsächliche Menge dieser chemischen
Verbindungen bzw. Arten wird bevorzugt unter Verwendung eines Artenverfolgungsmodells
auf der Basis eines vereinfachten Verbrennungsmodells berechnet.
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Unter
weiterer Bezugnahme auf 3 werden
in der dargestellten Ausführungsform
eine Fahrergaspedal-Positionssensoreingabe und eine Motorgeschwindigkeitseingabe
(rpm) beim Block 182 empfangen. Block 182 verwendet
eine Suchtabelle, um eine Motordrehmomentanforderung zu bestimmen.
Die Motordrehmomentanforderung gibt eine Kraftstoffmenge wieder,
die für
andere Aspekte der Motorsteuerung eingestellt werden kann, die nicht spezifisch
hier beschrieben werden, wie zum Beispiel den Zylinderabgleich.
Zudem wird darauf hingewiesen, dass 3 eine
beispielhafte Implementation zeigt und dass verschiedene Aspekte
der gezeigten Steuerungsstrategie bevorzugt werden, aber nicht spezifisch
erforderlich sind. Beim Block 184 fügt ein Einwegfilter zweiter
Ordnung eine gewisse Verzögerung
der Drehmomentanforderung hinzu. Die Verzögerung wird hinzuaddiert, um
den langsamer reagierenden Luftflusseigenschaften der Motorsteuerung zu
ermöglichen,
dass sie mit den schneller reagierenden Drehmomentanforderungseigenschaften
der Motorsteuerung synchronisiert werden können. Beim Block 186 werden
die Motorgeschwindigkeit und die gefilterte Drehmomentanforderung
empfangen und zusammen mit weiteren Motorzuständen verarbeitet, was ein gewünschtes
Kraftstoffeinspritztiming, eine gewünschte Kraftstoffmenge und
einen gewünschten Raildruck
ergibt. Diese Faktoren steuern die Kraftstoffzulieferung, wie bei 188 angegeben
wird.
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Beim
Block 190 wird eine gewünschte
chemische Zusammensetzung der Motoransaugluft bestimmt. Die gewünschte Zusammensetzung
enthält eine
Vielzahl von chemischen Verbindungen bzw. Arten, z.B. Stickstoff,
Sauerstoff, Kohlendioxid und Wasser. Die Kraftstofffüllung pro
Zyklus wird dem Block 190 von dem Einspritzsteuerblock 186 bereitgestellt
und der Block 190 stellt eine Kraftstoffgrenze pro Zyklus
dem Block 186 bereit. Zum Beispiel kann der Kraftstoff
bei niedrigen Luftflusszuständen
begrenzt werden. Beim Block 192 werden die tatsächlichen
Flusswerte für
das EGR-System und das Turboladesystem, das Luft/Kraftstoffverhältnis und
die chemische Zusammensetzung der Ansauggase berechnet. Die Berechnungen
basieren auf den Sensoreingaben und auf einem Artenverfolgungsmodell, das
ein vereinfachtes Verbrennungsmodell beinhaltet, um die Relativverhältnisse
der verschiedenen chemischen Arten bzw. Verbindungen oder Stoffe
in der Ansaugluft und dem rezirkulierten Abgas bestimmen zu können. Die
gewünschten
Werte oder Sollpunktwerte in Block 190 basieren auf einer
Interpolation der Werte, die innerhalb verschiedener Paare von Suchtabellen
enthalten sind. Das erste Tabellenpaar (194, 198)
entspricht einem stabilisierten Turboladerverstärkungsdruck und das zweite
Tabellenpaar (196, 200) entspricht dem Null-Turboladerverstärkungsdruck.
Das heißt,
dass die erste Tabelle der maximalen Luft pro Kraftstoff (pro Zyklus)
entspricht, während
die zweite Tabelle der minimalen Luft pro Kraftstoff entspricht.
In Abhängigkeit
von der momentanen Luft pro Kraftstoff bzw. Füllung, wie aus verschiedenen
Messungen bestimmt wird, werden gewünschte Werte zwischen zwei
Tabellen für
den bestimmten bzw. einzelnen Betriebswert interpoliert.
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Zum
Beispiel werden gewünschte
Kohlendioxid- und Luftwerte mit einer Interpolation zwischen den
Tabellen 194 und 196 bestimmt, die jeweils zwei Suchtabellen
wiedergeben, eine Tabelle für
CO2 und eine Tabelle für die Sauerstoffmenge pro Zyklus. Ähnlich werden
gewünschte
Werte für
die Zeitgabeparameter bzw. Timingparameter, die Menge und den Kraftstoffleitungsdruck
durch Interpolation (auf der Basis der Luft pro Kraftstoff) zwischen
den Tabellen 198 und 200 (Block 198 und
Block 200 repräsentieren
jeweils drei Tabellen) bestimmt. In Übereinstimmung mit bevorzugten
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung stellt die Steuereinheit 22 den
VGT- und den EGR-Betrieb
ein, um die gewünschten
Werte beim Block 190 (berechnet durch Interpolation) innerhalb
der jeweiligen Minimum/Maximum-Tabellen (196, 200 bzw. 194, 198)
zu erreichen.
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Zudem
wird beim Block 190 eine gewünschte Kohlendioxidmenge 210 bestimmt.
Aus dem Block 192 wird eine tatsächliche Kohlendioxidmenge geschätzt. Es
wird darauf hingewiesen, dass die Mengen bevorzugt als Masse pro
Zyklus wiedergegeben werden. Der Summierer 214 vergleicht
die gewünschte
Kohlendioxidmenge 210 mit der tatsächlichen Kohlendioxidmenge 212,
um das Kohlendioxid-Fehlersignal zu bestimmen. Das EGR-Ventil 222 wird
durch das EGR-Befehlssignal auf der Basis des Fehlersignals gesteuert.
Bevorzugt stellt eine Steuereinheit, zum Beispiel eine Proportional/Integral/Ableitungs-Steuereinheit 216 (oder
bevorzugt mit einem nicht-linearen Kompensationsterm, z.B. einem Smith-Prädiktor)
bzw. -Regeleinheit die EGR-Ventilposition ein, um eine gewünschte EGR-Rate
und eine gewünschte
Kohlendioxidmenge zu erreichen. Zudem ist in bevorzugten Ausführungsformen
eine EGR-Schleifenverstärkungsnormalisierung
innerhalb des Blocks 220 enthalten, um die Einschwingantwort durch
Reduzieren der Effekte der schnellen Änderungen in der Drehmomentanforderung
zu verbessern.
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Nach
der Schleifenverstärkungsnormalisierung
begrenzt der Begrenzer 219 das EGR-Befehlssignal wie notwendig,
um ein zu starkes Abgasrauchen während
des einschwingenden Motorbetriebes bzw. Übergangsmotorbetriebs zu verhindern.
Das resultierende EGR-Befehlssignal wird von der Steuereinheit 22 (1) aus dem EGR-Ventil 222 zugeführt. Bevorzugt
wird das EGR-Befehlssignal
auch der VGT-Steuerung, wie nachfolgend beschrieben wird, zugeführt.
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Beim
Steuern des VGT 274 wird eine Basisgeometrie (eine Flügelposition
in der bevorzugten Implementierung) beim Block 260 auf
der Basis der Drehmomentanforderung und der Motorgeschwindigkeit
bestimmt. Der Basisgeometrieblock 260 dient als Vorwärtskoppelmerkmal
für die
VGT-Steuerung bzw. VGT-Regelung, um die Einschwingantwort zu verbessern
und auch die Steuerung bei geöffneter Schleife
bzw. geöffnetem
Kreis freizugeben, wenn gewünscht.
Die befohlene Basisposition wird vom Block 260 dem Block 261 zugeführt. Beim
Block 262 ermöglicht
eine Bremsschnittstelle einer Motorbremssteuerlogik, der normalen
VGT-Logik den Vorrang
vor einer befohlenen Basisposition in dem Fall einzuräumen, dass
der Motor als eine Motorbremse betrieben wird.
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Das
EGR-Befehlssignal wird von der Leadcompensation-Logik bzw. Leitungskompensationslogik 240 empfangen,
um ein Lead- bzw. leitungskompensiertes Signal auf der Basis des
EGR-Befehlssignals bestimmen zu können. In Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung synchronisiert dieser Abschnitt der Steuerschleife
simultan die EGR-Ventilsteuerung und die VGT-Geometriesteuerung. Insbesondere, wenn
die EGR-Ventilsteuerung alleine nicht ausreichend ist, die gewünschte EGR-Rate
bzw. Soll-EGR-Rate zu erreichen, wird die VGT-Geometrie modifiziert,
um den Luftfluss durch die Turbine zu erhöhen, bis der gewünschte EGR-Fluss
erreicht wird. Der Lead- bzw. Leitungsterm 240 verbessert
die Einschwingantwort, um die Turboladedruckverzögerung zu kompensieren. Das
heißt,
wenn die EGR-Ventilsteuerung
und die VGT-Geometriesteuerung nicht ausreichend sind, um einen
gewünschten Kohlendioxidinhalt
in der Motoransaugung zu erreichen, erhöht der Fluss durch die Turbine
den Gesamtluftfluss, aber die Turbine wird weniger wirksam, wodurch
der Rückdruck
erhöht
wird, der die Kohlendioxid enthaltende Abgase durch den Rezirkulationsweg
treibt, was die Kohlenstoffmasse pro Zyklus an der Ansaugung erhöht.
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Beim
Block 242 modifiziert ein zusätzlicher Kompensationsterm
auf der Basis der EGR-Ventilposition den Leitungskompensatorausgang.
Wie gezeigt ist, empfängt
der Summierer 244 ein gewünschtes Luft pro Zyklus Signal
und ein tatsächliches
Luft pro Zyklus Signal, um einen Luftfehler zu bestimmen. Der Leitungskompensator 140 und
der zusätzliche Kompensator 242 sagen
den Luftfehler voraus oder betonen bzw. übertreiben ihn, wenn es erwartet
wird, dass das EGR-Ventil geöffnet
wird. Der Luftfehler, der beim Block 244 bestimmt wird
und/oder die Basisgeometrie (z.B. die Flügelposition), wie sie beim Block 260 bestimmt
wird, werden verwendet, um das VGT-Befehlssignal zu bestimmen.
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Beim
Block 248 linearisieren bevorzugt Normalisierungswerte,
die innerhalb des Blocks 248 enthalten sind, die Schleifenverstärkung der
PID-Steuereinheit 250 bzw. der PID-Regeleinheit und dienen als
variabler Schalter zwischen den Lösungen mit der Steuerung mit
offenem Kreis und geschlossenem Kreis. Das heißt, dass bei niedrigen Luftflussbedingungen
(niedrige Motorgeschwindigkeit und niedrige Drehmomentanforderung)
der Normalisierungsfaktor den Luftfehler auf null oder auf einen
ausreichend niedrigen Wert derart reduziert, dass er effektiv nicht-signifikant
beim Steuern des VGT 174 ist. Das heißt, dass bei niedrigen Luftflusszuständen die
Normalisierung wirksam das Luftfehlersignal eliminiert, was es der
Basisgeometrie (dem Vorwärtskoppelterm) überlässt, den
VGT nach Art einer geöffneten Schleife
zu steuern. Auf der anderen Seite springt der Verstärkungsnormalisierungsfaktor,
sobald Luft einen ausreichenden Wert erreicht, von null auf einen ausreichend
großen
Wert, um den VGT 274 zu steuern und die PID-Steuereinheit 250 zu
linearisieren. Wenn der Luftfluss weiter ansteigt, sinkt der Normalisierungsfaktor
ab, da bei höheren
Luftflüssen
die PID-Steuereinheit 250 effektiver ist. Der Verstärkungsnor malisierungsterm
ist null bei niedrigen Luftflüssen.
Der Luftfluss wird bevorzugt als eine Funktion der Drehmomentanforderung
und der Motorgeschwindigkeit bestimmt. Sobald ein signifikanter
Luftfluss existiert, wird der Verstärkungsnormalisierungsterm signifikant
erhöht,
um von einer effektiven, reinen Steuerung mit geöffneter Schleife des VGT mit dem
vorwärts
gekoppelten Term zu einer Steuerung des VGT (mit dem vorwärts gekoppelten
Term) mit geschlossener Schleife zu wechseln. Wenn der Luftfluss
weiter ansteigt, wird der Verstärkungsnormalisierungsterm
reduziert.
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Wie
durch den Summierer 252 gezeigt wird, stellt die Basisflügelposition
(oder ein anderer geeigneter Geometrieindikator in Abhängigkeit
von der Realisierung) vom Block 260 die allgemeine Steuerung des
VGT-Befehlssignals bereit, während
das Signal, das von dem Luftfehler abgeleitet wird, die Feineinstellung
bereitstellt (mit der Ausnahme bei niedrigen Luftflusszuständen, bei
denen der Luftfehlerabschnitt effektiv ignoriert wird und die Steuerung
mit geöffneter
Schleife verwendet wird). Der Begrenzer 270 begrenzt das
VGT-Befehlssignal wie notwendig, um eine zu hohe Turbogeschwindigkeit
zu verhindern. Bei größeren Höhen können Anforderung
nach mehr Sauerstoff in einer zu hohen Turbogeschwindigkeit resultieren.
Diese Situation wird durch die Turbogeschwindigkeitsbegrenzung beim
Block 272 verhindert. Nach dem Begrenzen wird, wenn notwendig, das
VGT-Befehlssignal an den VGT 274 angelegt. Wie vorstehend
erläutert
wurde, wird das EGR-Befehlssignal verwendet (mit Leitungskompensation), um
ein Luftfehlersignal einzustellen, um eine Feineinstellung des VGT-Befehlssignals
bereitzustellen. Folglich ermöglicht
eine kontinuierliche, simultane Steuerung des EGR-Systems und des
VGT-Systems, dass die Effekte dieser Systeme gegenseitig während der
Steuerstrategie berücksichtigt
werden. Der Leitungsterm 240 verbessert die Einschwingantwort.
Dementsprechend arbeitet die Steuerschleife bzw. Regelschleife auch
in der entgegengesetzten Richtung, indem die EGR-Ventilposition eingestellt wird, wenn
ein gewünschter
Ladedruck bzw. Boost (oder ein Luft/Kraftstoffverhältnis) nicht
erreicht wird. Für
die Tabellen 194 und 196 befiehlt der Wert in
der Minimum-CO2-Tabelle bei niedrigem Sauerstoff
pro Kraftstoff eine gewünschte
Kohlendioxidmenge von null. Die obere CO2-Tabelle
gibt die gewünschte CO2-Menge bei einem oberen Sauerstoff pro Kraftstoffverhältnis. Die
untere CO2 definiert ein unteres Sauerstoff
pro Kraftstoffverhältnis,
bei dem das gewünschte
CO2 null ist. Das heißt, wenn der Motor bereits
mit hohem Kraftstoff bzw. Kraftstoff fett läuft, werden die Tabellen 194 und 196 derart
interpoliert, dass die gewünschte
Kohlendioxidmenge null ist. Die Funktion, die für die Interpolierung zwischen
zwei Kohlenstoffdioxidtabellen verwendet wird, kann signifikant
unterschiedlich zu der Funktion sein, die verwendet wird, um zwischen
zwei Luftmengentabellen zu interpolieren. Zudem ist es von Vorteil,
dass die Interpolation zwischen irgendwelchen zwei Tabellen nicht
auf die lineare Interpolation beschränkt ist, sondern andere Formen
annehmen kann.
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Ein
Blockdiagramm, das den Betrieb einer Ausführungsform für ein System
oder ein Verfahren zum Bestimmen des EGR-Flusses gemäß der vorliegenden
Erfindung erläutert,
ist in 4 gezeigt. Wie es
für Fachleute
ersichtlich ist, gibt das Blockdiagramm von 4 die Steuerlogik wieder, die in Hardware,
Software oder einer Kombination aus Hardware und Software implementiert
oder realisiert sein kann. Die verschiedenen Funktionen werden bevorzugt
durch einen programmierten Mikroprozessor bewirkt, z.B. einem Mikroprozessor,
der in dem DDEC-Controller
enthalten ist, der von der Detroit Diesel Corporation, Detroit,
Michigan, hergestellt wird. Natürlich
kann die Steuerung des Motors/Fahrzeugs eine oder mehrere Funktionen
enthalten, die durch einzelne elektrische, elektronische oder integrierte
Schaltungen implementiert sein können.
Wie es für
Fachleute auch ersichtlich ist, kann die Steuerlogik unter Verwendung
irgendeiner Anzahl von bekannten Programmier- und Verarbeitungstechniken oder
Strategien realisiert werden und ist nicht auf die Reihenfolge oder
Sequenz beschränkt,
die in 4 dargestellt
ist. Zum Beispiel wird eine Interrupt-Verarbeitung oder eine ereignisabhängige Verarbeitung
typischerweise in einer Echtzeitsteuerapplikation, z.B. der Steuerung
eines Motors oder eines Fahrzeugs verwendet, und weniger eine reine
sequenzielle Strategie, wie gezeigt ist. Ähnlich kann eine parallele
Verarbeitung, ein Multitasking oder ein Multi-Threaded-System und
Verfahren verwendet werden, um die Aufgaben, Merkmale und Vorteile
der vorliegenden Erfindung auszuführen. Die Erfindung ist unabhängig von
einer speziellen Programmiersprache, einem speziellen Betriebssystem,
einem speziellen Prozessor oder einer speziellen Schaltung, die
verwendet werden, um die Steuerlogik, die gezeigt ist, zu entwickeln
und/oder zu implementieren. Ähnlich können in
Abhängigkeit
von einer bestimmten Programmiersprache und einer speziellen Verarbeitungsstrategie
verschiedene Funktionen in der dargestellten Sequenz bei im Wesentlichen
der gleichen Zeit oder in einer unterschiedlichen Sequenz durchgeführt werden,
während
die Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden.
Die dargestellten Funktionen können
modifiziert werden oder in einigen Fällen weggelassen werden, ohne dass
von der Idee oder dem Bereich der vorliegenden Erfindung abgewichen
wird.
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In
verschiedenen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung ist die dargestellte Steuerlogik primär in Software
implementiert und ist in dem computerlesbaren Speichermedium innerhalb
des ECM gespeichert. Wie es für
einen Fachmann ersichtlich ist, können verschiedene Steuerparameter, Befehle
und Kalibrierinformationen, die innerhalb des ECM gespeichert sind,
se lektiv durch den Fahrzeugeigentümer/Betreiber modifiziert werden,
während andere
Informationen auf authorisiertes Service- oder Betriebspersonal beschränkt sind.
Die computerlesbaren Speichermedien können auch verwendet werden,
um Motor/Fahrzeugbetriebsinformationen für Fahrzeugeigentümer/Betreiber
und Diagnoseinformationen für
Wartungs/Servicepersonal zu speichern. Obwohl nicht explizit erläutert, können verschiedene
Schritte oder Funktionen wiederholt in Abhängigkeit von der verwendeten
Verarbeitung durchgeführt
werden.
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Wie
in 4 dargestellt ist,
wird die spezifische Wärme
des rezirkulierten Abgases auf der Basis der momentanen Motorbetriebswerte
oder Parameter bestimmt, wie durch den Block 300 wiedergegeben
wird. Die momentanen Motorbetriebszustände oder -parameter können Steuerparameter
zusätzlich zu
Variablen enthalten, die momentane Betriebseigenschaften des Motors
wiedergeben. In einer Ausführungsform
werden das Luft/Kraftstoffverhältnis 302,
die Kraftstoffmenge 304 und der Turboladedruck 306 überwacht
und in ein vereinfachtes Verbrennungsmodell eingegeben, um die relativen
Werte oder Verhältnisse
der verschiedenen, einzelnen, chemischen Verbindungen bzw. Arten
bestimmen zu können,
wie unten stehend genauer beschrieben wird. Die EGR-Flussrate wird
dann auf der Basis der spezifischen Wärme entsprechend der momentanen Formulation
bzw. Zusammensetzung des rezirkulierten Abgases bestimmt, wie durch
den Block 308 wiedergegeben wird. Der bestimmte EGR-Fluss
kann dann verwendet werden, um das EGR-Ventil und/oder den VGT zu
steuern, um einen gewünschten
Wert des EGR-Flusses bereitstellen zu können, wie durch den Block 310 wiedergegeben
wird.
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In
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann die Bestimmung der spezifischen Wärme für die momentane,
rezirkulierte Abgasformulation, wie sie durch den Block 300 wiedergegeben wird,
die Verwendung eines Artenverfolgungsmodells ent halten, um einzelne
chemische Arten bzw. Verbindungen, die währen der Verbrennung ausgebildet werden,
verfolgen zu können,
wie in Block 312 wiedergegeben wird. Bevorzugt wird eine
Vielzahl von chemischen Arten für
das Ansaugen und das Abgas. Die chemischen Arten können z.B.
Kohlendioxid 314, Sauerstoff 316, Stickstoff 318 und
Wasser 320 enthalten. Die relative, spezifische Wärmeverteilung
für jede
Art bzw. Komponente wird bestimmt, wie durch Block 322 wiedergegeben
wird. Die einzelnen Verteilungen der spezifischen Wärme des
rezirkulierten Abgases werden dann summiert, um die gesamte, spezifische
Wärme für die momentanen
Motorbetriebszustände
bestimmen zu können,
wie durch den Block 324 angegeben wird.
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Die
spezifische Wärme,
die für
die momentanen Zustände
des rezirkulierten Abgases bestimmt wird, kann mit einem spezifischen
Referenzwärmewert
oder einem spezifischen Kalibrierungswärmewert verglichen werden,
wie durch Block 326 wiedergegeben wird. Ein Basis-EGR-Fluss
wird unter Verwendung des EGR-Sensors
und des Basis- oder Referenzwertes der spezifischen Wärme bestimmt,
wie durch Block 328 wiedergegeben wird. Der Basis-EGR-Fluss
kann dann eingestellt werden, um jede Differenz zwischen der kalibrierten,
spezifischen Wärme
und der momentan bestimmten, spezifischen Wärme, wie durch Block 330 wiedergegeben
wird, berücksichtigen
zu können.
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5 stellt eine alternative
Wiedergabe einer EGR-Massenflussberechnung unter Verwendung eines
thermischen Anemometersensors, der in dem EGR-Fluss angeordnet ist,
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung bereit. Die Blöcke 400 enthalten
Werte und Einheiten in Klammern für Variablen oder Konstanten 402,
die beim Bestimmen des EGR-Massenflusses verwendet werden. Die Eingänge 404 geben
Werte auf der Basis von Sensormessungen, Berechnungen oder von Suchtabellen
wieder, wie nachfolgend beschrieben wird. Für die Ausführungsform, die in 5 dargestellt ist, wird
die thermische Konstante 410 (Ktc) verwendet, um die thermischen
Eigenschaften des thermischen Anemometerelements, das in dem EGR-Fluss
angeordnet ist, zu charakterisieren, während das Gebiet 412 (A)
dem Querschnittsgebiet des thermischen Elements entspricht. Die
dynamische Viskosität 414 (Uv)
wird zusätzlich
zu der Länge
des Elements verwendet, das dem EGR-Fluss ausgesetzt ist, der durch
den Block 416 (L) wiedergegeben wird. Werte oder Parameter 410–416 werden
typischerweise von dem Sensorhersteller bereitgestellt und in einem
nicht-flüchtigen
Speicher als Teil der Motorkalibrierung gespeichert. Der Block 418 (Tw) gibt
einen Probentemperatur-Sollpunkt für die Probe oder das Element,
das in dem EGR-Fluss angeordnet ist, wieder, während der Block 420 das
Querschnittsgebiet der EGR-Leitung neben dem Sensor wiedergibt.
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Die
Eingänge 404 geben
Werte wieder, die gemessen, berechnet oder sonst wie bestimmt oder per
Computer ermittelt werden. Der Block 430 (Q) gibt die Energieverteilung
des Sensorelements wieder, die erforderlich ist, um die Probentemperatur 418 aufrechtzuerhalten.
Die Blöcke 432 (Tgas)
und 434 (Cp) geben die Temperatur bzw. die spezifische
Wärme des
EGR-Gases wieder. Die spezifische Wärme 434 wird bevorzugt
unter Verwendung einer Berechnung oder einer Suchtabelle auf der
Basis eines Artenverfolgungsmodells, wie vorstehend beschrieben, bestimmt.
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Beim
Betrieb variiert die Energie-Dissipation in Abhängigkeit von der EGR-Zusammensetzung, der
Temperatur, der Flussrate usw. Durch Bestimmen der gemessenen Energie,
um die Probentemperatur 418 aufrechtzuerhalten, und unter
Verwendung verschiedener weiterer, beschriebener Parameter (einige
von ihnen werden erfasst oder gemessen und einige von ihnen werden
berechnet) kann der EGR-Fluss bestimmt werden.
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Wie
in
5 gezeigt ist, wird
eine Enthalpieberechnung
450 (h) auf der Basis der Eingänge u(1)–u(4) entsprechend
der Energiedissipation
430 (Q), dem Gebiet
412 (A),
der Probentemperatur
418 (Tw) und der EGR-Gastemperatur
432 (Tgas)
durchgeführt.
Der Enthalpieausdruck in Gleichungsform ist somit gegeben durch:
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Die
Enthalpieberechnung
450 (h) (Eingang u(1)) wird dann zusammen
mit der Länge
414 (L)
und der thermischen Konstante
410 (Ktc) des erwärmten Elements
(entsprechend den Eingaben u(2) bzw. u(3)) verwendet, um die Nusselt-Zahl
460 (Nu)
zu berechnen, die als das Verhältnis
der Konvektionswärmeübertragung
zur Fluidleitungswärmeübertragung unter
den gleichen Zuständen
definiert ist. Ausgedrückt
in Gleichungsform:
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Die
Prandtl-Zahl
470 (Pr) wird auf der Basis der Eingänge u(1)–u(3) entsprechend
der spezifischen Wärme
434 (Cp),
414 (Uv)
bzw. der thermischen Konstanten
410 (Ktc) berechnet. Die Prandtl-Zahl
beschreibt die relative Dicke der hydrodynamischen und thermischen
Grenzschichten und ist das Verhältnis
aus Momentum und dem thermischen Diffusionsvermögen bzw. der Temperaturleitfähigkeit.
Ausgedrückt
in Gleichungsform:
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Die
dimensionslosen Größen
460 (Nu)
und
470 (Pr), die dem Eingang u(1) bzw. u(2) entsprechen,
werden dann verwendet, um die Reynolds-Zahl
480 zu berechnen.
Ausgedrückt
in Gleichungsform:
oder äquivalent:
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Die
Reynolds-Zahl wird dann zusammen mit 414 (Uv), dem Leitungsgebiet 420 (Aduct,
und der Probenlänge 416 (L)
entsprechend den Eingängen u(1)–u(4) verwendet,
um den EGR-Massenfluss zu bestimmen, wie durch den Block 490 wiedergegeben wird.
Dieser Wert wird mit 60, wie durch den Block 492 wiedergegeben
wird, multipliziert, um die Einheiten des EGR-Flusses in kg/min,
wie durch den Block 494 angegeben wird, umzuwandeln. Der
EGR-Flusswert, der durch den Block 494 wiedergegeben wird, kann
dann verwendet werden, um den Motor, wie vorstehend beschrieben
wurde, zu steuern.
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Die
vorliegende Erfindung stellt somit ein System und ein Verfahren
zum Berechnen der EGR-Flussrate bereit, das eine verbesserte Genauigkeit,
eine verbesserte Reaktion, eine verbesserte Lebensdauer und eine
verbesserte Zuverlässigkeit gegenüber der
Strategie des Standes der Technik bereitstellt. Die vorliegende
Erfindung kann verwendet werden, um die Motorleistungsfähigkeit
und die Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu optimieren, während die Emissionen
reduziert werden.
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Obwohl
Ausführungsformen
der Erfindung erläutert
und beschrieben worden sind, ist es nicht beabsichtigt, dass diese
Ausführungsformen
alle möglichen
Formen der Erfindung erläutern
und beschreiben. Vielmehr sind die Worte, die in dieser Spezifikation
verwendet werden, Worte der Beschreibung und nicht Worte der Beschränkung und
es sollte verstanden werden, dass verschiedene Änderungen gemacht werden können, ohne
von der Idee und dem Bereich der Erfindung abzuweichen.
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Zusammenfassung
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Ein
System und ein Verfahren zum Bestimmen des EGR-Flusses in einem
Vielzylindermotor mit interner Verbrennung (12) enthält das Bestimmen
der spezifischen Wärme
des Abgases auf der Basis der momentanen Motorbetriebszustände und
das Bestimmen der EGR-Flussrate auf der Basis der bestimmten, spezifischen
Wärme und
eines Signals, das von einem Sensor (40, 42, 44, 46, 48, 50, 51, 52, 53, 54, 56, 58, 60, 62, 64, 66, 68, 69, 70, 72)
bereitgestellt wird. In einer Ausführungsform wird ein Artenverfolgungsmodell
(314) verwendet, um die Menge der verschiedenen Arten innerhalb
des Abgases zu bestimmen, die z.B. Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxid
und Wasser enthalten können,
um die momentane, spezifische Wärme
bestimmen zu können,
die mit einer Referenz der spezifischen Wärme für den Sensor verglichen wird,
wobei die Differenz zur Einstellung des Sensorwertes und zum Bestimmen
der EGR-Massenflussrate verwendet wird. Das Artenverfolgungsmodell
verwendet ein vereinfachtes Verbrennungsmodell, um die Menge für jede Art
bzw. Komponente in dem Abgas auf der Basis der verschiedenen Motorbetriebsparameter,
z.B. Kraftstoff, Luft/Kraftstoff-Verhältnis und Turboladedruck abschätzen bzw,
ermitteln zu können.