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Das
technische Gebiet dieser Erfindung ist der Kraftfahrzeugbereich
und genauer die Steuerung von Diesel- oder Benzinauflademotoren.
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Die
Steuerung des Motors ist die Technik der Einstellung der Leistungen
eines Verbrennungsmotors mit Hilfe der Gesamtheit seiner Fühler und
Betätigungselemente.
Die Gesamtheit der Kontroll-Steuer-Gesetze (Software-Strategie)
und der Kennzeichnungsparameter (Kalibrierung) des Motors sind in
einem Rechner enthalten, der UCE oder elektronische Steuereinheit
genannt wird. Ferner umfassen die Auflademotoren einen Turbokompressor,
der aus einer Turbine und einem Kompressor besteht, der dazu dient,
die in die Zylinder eingelassene Luftmenge zu erhöhen. Die
Turbine befindet sich am Ausgang des Ablasskollektors und wird von
den Abgasen angetrieben. Die von den Abgasen an die Turbine gelieferte Leistung
kann eingestellt werden, wobei ein Ablassventil oder Flügel installiert
werden, die auf die durch die Turbine oder den für diese Gase angebotenen Durchgangsquerschnitt
strömende
Gasmenge einwirken. Der Kompressor ist auf derselben Achse wie die
Turbine angeordnet. Er komprimiert die in den Einlasskollektor einströmende Luft.
Ein Wärmetauscher
kann zwischen dem Kollektor und dem Einlasskollektor angeordnet
werden, um die Luft am Ausgang des Kompressors zu kühlen. Ein
Betätigungselement
wird verwendet, um das Öffnen
und Schließen
des Ventils oder der Flügel
zu steuern. Das Steuersignal des Betätigungselements wird von der
UCE geliefert und ermöglicht
es, den Aufladedruck zu steuern, der am Einlasskollektor vorhanden
ist. Ein Drucksollwert am Kollektor wird von der UCE berechnet.
Der tatsächliche
Druck am Kollektor wird von einem Druckfühler gemessen.
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Die
UCE berechnet ständig
den Aufladedrucksollwert neu, in Abhängigkeit von der Motordrehzahl
und der Treibstoffmenge beispielsweise (oder auch aus einem Sollwert der
Luftmenge und der Gehaltsmenge), und unterstützt ständig bei der Einstellung des
Turbokompressors mit Hilfe von Regulatoren, um den Drucksollwert
mit dem tatsächlichen
im Einlasskollektor herrschenden Druck zusammenfallen zu lassen.
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Mit
der Erhöhung
der Leistungen der Auflademotoren steigt das Aufladedruckniveau,
auch die Turbokompressoren werden mehr und mehr belastet. Es ist
somit wichtig, die Turbokompressoren möglichst fein zu steuern, um
die Verschlechterung des Turbokompressors zu vermeiden und die Fahrqualität des Fahrzeugs
bei Beschleunigung zu verbessern.
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Die
Einstellung des Turbokompressors erfolgt herkömmlicherweise mit Hilfe von
Signalen, die von PID-Regulatoren
(proportional, integral, differential) kommen, nach der Entwicklung
des Unterschieds zwischen dem Drucksollwert und dem tatsächlich gemessenen
Druck. Ferner wird eine Vorpositionierungskartografie im Allgemeinen
in der UCE hinzugefügt,
um einen ersten Einstellungsschätzwert des
Turbokompressors in Abhängigkeit
von der Motordrehzahl und der Durchflussmenge zu ergeben und so
die Einstellung zu erleichtern.
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Es
ist allerdings zu beobachten, dass die Steuerung des Aufladedrucks
mit den bisher bekannten Steuermitteln schwierig ist. Der Aufladedrucksollwert
ist typischerweise in Form einer Druckstufe vorhanden, die erscheint,
wenn das Beschleunigungspedal gedrückt ist, und der tatsächliche
Druck erreicht die Höhe
der Stufe erst mit einer Verzögerung. Bei
manchen Systemen ist diese Verzögerung
groß; bei
anderen ist sie wesentlich geringer, aber es ergibt sich dann ein
Phänomen
des Oszillierens des tatsächlichen
Drucks über
und unter den Sollwert (was Overshoots und Undershoots genannt wird),
und diese Einstellungsinstabilität
schadet der Fahrqualität und
kann zu Schäden
führen.
Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine gleichzeitig raschere
und stabile Übereinstimmung
des Aufladedrucks mit seinem Sollwert während eines Übergangsbetriebs
zu bieten.
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Es
ist zu sehen, dass ein wichtiges Mittel die Verwendung eines Regulators
mit Fuzzy-Logik (oder unscharfer Logik) in der UCE ist. Es sind
zwar Beispiele für
die Steuerung von Auflademotoren bekannt, die die Fuzzy-Logik einsetzen.
Das französische
Patent 2 738 287 umfasst ein solches Element, das aber eher dazu
verwendet wird, den Druckunterschied zwischen dem Einlasskollektor
und dem Ablasskollektor zu regeln, was erfordert, hier einen weiteren
Fühler
anzubringen, der das System teurer macht und eine relativ umfassende Änderung
der Steuerungsart des Motors voraussetzt. Hier sind die zwei von
dem Element mit Fuzzy-Logik ausgewerteten Variablen der Unterschied
zwischen dem Drucksollwert und dem tatsächlichen Druck, d.h. die Variable
selbst, die zu verringern ist, und die zeitliche Abweichung dieser
Variablen. Es kann somit angenommen werden, dass das oben geforderte
Ergebnisbesser erzielt wird.
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DE-42
04 047-A und WO-95/02121-A beschreiben Steuerungen, die den Fehler
zwischen einem Sollwert und einem tatsächlichen Wert sowie die zeitliche
Abweichung von diesem Wert nutzen, aber unter Bedingungen, die nicht
dem Bereich der Erfindung entsprechen.
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Zusammenfassend
betrifft die Erfindung in ihrer allgemeinsten Form eine Steuervorrichtung
für einen
Auflademotor eines Kraftfahrzeugs nach Anspruch 1.
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Es
werden nun die folgenden Figuren beschrieben:
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1 stellt
ein System mit Auflademotor und UCE dar;
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2 stellt
eine erfindungsgemäße UCE dar;
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3 stellt
zur Gänze
ein Modul zur Berechnung eines Treibstoffmengensollwerts dar;
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4 stellt
eine Variante einer UCE dar;
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5 stellt
zur Gänze
ein Regelelement mit Fuzzy-Logik gemäß der Erfindung dar;
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6 stellt
die erzielten Ergebnisse dar.
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1 stellt
zuerst einen Verbrennungsmotor 1 dar, der mit Frischluft über einen
Eingang 2 versorgt wird und die verbrannten Gase durch
einen Auspuff 3 ableitet. Die Frischluft durchströmt einen
Einlasskollektor 8 und nach und nach einen Filter 4 und
einen Durchflussmesser 5, dann einen Kompressor 6 eines einzustellenden
Turbokompressors 7. Nachdem sie komprimiert wurde, durchströmt sie einen
Kühler 9 und
ein Ventil 10 für
die Rückführung der
Abgase. Die Abgase strömen
durch einen Ablasskollektor 11 aus und durchströmen eine
Turbine 12 des Turbokompressors 7 und einen Partikelfilter 13,
bevor sie zum Auspuff 3 gelangen. Eine elektrische Recheneinheit (UCE)
ist mit 14 bezeichnet, ein Magnetventil mit 16, eine
Vakuumpumpe mit 17 und eine Regulierstange des Turbokompressors 7 mit 18.
Ein Regulator 1 ist Teil der UCE 14 und liefert
ein Steuersignal an das Magnetventil 16, das eine Ansaugleitung 20 zwischen
einer hinter der Stange 18 befindlichen Kammer 21 und
der Vakuumpumpe 17 öffnet
oder schließt;
das Magnetventil öffnet
sich progressiv und kann somit nach Belieben den Druck in der Kammer 21 je
nach Versenken der Stange 18 variieren. Die UCE 14 wertet
einen Druck des Einlasskollektors 8, der ihm von einem
Fühler 19 geliefert
wird, und einen Drucksollwert, den sie berechnet, aus. Es wird nun die 2 beschrieben,
die im Detail die Ausführung der
UCE 14 beschreibt.
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Werte
der eingespritzten Treibstoffmenge und der Drehzahl des Motors 1 werden
an eine logische Karte 31 geliefert, die einen Aufladedrucksollwert
an eine positive Klemme eines Subtrahiermittels 36 liefert.
Die Motordrehzahl wird von einem Tachometer 25 oder einem
anderen Fühler
geliefert, der die Drehgeschwindigkeit der Motorwelle misst. Der Treibstoffsollwert
wird vom Ausgang eines Fühlers 24 abgeleitet,
der das Versenken des Beschleunigungspedals misst. Es ist bekannt,
dass in Wirklichkeit ein Treibstoffmengensollwert mit Hilfe einer
logischen Karte 28 (in 3) berechnet
wird, die von den Fühlern 24 und 25 informiert
wird, und dass dieser Sollwert normalerweise während der starken Beschleunigungsphasen
durch die Ausgänge
der beiden anderen logischen karten 29 und 30 begrenzt sein
kann, die jeweils vom Fühler 25 bzw.
von den Fühlern 26 und 27 informiert
wird, die den eingelegten Gang und die Frischluftmenge anzeigen.
Die Karten 29 und 30 geben annehmbare Treibstoffmengengrenzen
in Abhängigkeit
vom zulässigen
Moment des Motors und von der Notwendigkeit, keinen schwarzen Rauch
zu erzeugen, an. Das von der Karte 28 kommende Signal wird
somit nach und nach mit den von den Karten 29 und 30 kommenden
Signalen in Gattern 27 verglichen, die jedes Mal das Mindestsignal
auswählen,
das an sie angelegt wird; und die Treibstoffmenge kann auch verändert werden,
wenn auf das Signal durch eine zusätzliche Karte 32 eingewirkt
wird, die eine Strategie der Fahrannehmlichkeit definiert.
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Unter
neuerlicher Bezugnahme auf 2 liefert
der Druckfühler 19 sein
Signal an die negative Klemme der Subtrahiereinrichtung 36,
deren Ausgangssignal somit eine Differenz zwischen dem Aufladedrucksollwert
und dem tatsächlich
im Einlasskollektor 8 gemessenen Aufladedruck ist. Diese
Differenz wird üblicherweise
an Regulatoren zur Berechnung von proportionalen, abgeleiteten und
integralen Termen geliefert; bei der Erfindung wird vor allem ein Regulator
mit Fuzzy-Logik 37 verwendet, der über den Druckunterschied und
seine zeitliche Ableitung, die von einem Differenziergerät 38 berechnet
wird, informiert wird. Wenn die gewünschte Steuerfunktion einen
dominanten proportionalen Term hat, wird ein Regulator 39 zur
Berechnung eines Integralterms hinzugefügt, um die Steuerung zu vervollständigen; wenn
die Funktion einen dominanten Integralterm hat, wird er direkt vom
Regulator mit Fuzzy-Logik 37 berechnet, und der Regulator 39 kann
weggelassen werden, wie dies 4 darstellt.
Es ist festzustellen, dass außer
einer guten Steuerung des Motors die Erfindung eine Vereinfachung
des Regulators der UCE 14 gestattet. In jedem Fall ist
es vorteilhaft, eine logische Vorpositionierkarte 33 zu
verwenden, die ebenfalls von den Fühlern 24 und 25 informiert
wird und einen Ausgangswert für
die Regelung des Turbokompressors 7 liefert, der während stabiler
Betriebsarten gültig
ist und es somit ermöglicht,
die Übergangsbetriebsarten
mit einer guten Ausgangsregelung einzuleiten. Die Ausgangssignale
der Karte 33, des Regulators mit Fuzzy-Logik 37 und
eventuell des Regulators 39 werden an eine Additionseinrichtung 40 geliefert,
und ihre Summe wird an einen Ausgangsregler 15 geliefert,
der direkt das Ventil 16 steuert.
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Die
Ausführung
des Regulators 37 mit Fuzzy-Logik ist folgende. Die von
der Subtrahiereinrichtung 36 und der Differenziereinrichtung 38 kommenden
Signale gelangen, nachdem sie Divisionseinrichtungen 41 und 42 durchlaufen
haben, die sie auf die richtige Stufe stellen, zu einem Element 43 zur
Aufgabenteilung (Fuzzification), das sie in Variable xs1 und xs2
umformt. Während
die Eingangsvariablen xe1 und xe2 in das Element 43 einfach
sind, sind die Variablen xs1 und xs2 vielfach und ergeben sich aus
der Anwendung der Eingangsvariablen xe1 und xe2 für eine Vielzahl
von Zugehörigkeitsfunktionen,
die in dem Element 43 enthalten sind. In dem vorgeschlagenen
Beispiel sind diese Funktionen in der Anzahl von drei vorhanden
und mit NG (Negatif Grand – negativ
groß),
EZ (Environ Zéro – ungefähr Null)
und PG (Positif Grand – positiv
groß)
bezeichnet. Die erste Funktion NG hat einen Maximalwert für xe kleiner
oder gleich –1,
Null für
xe größer oder gleich
0 und linear zwischen diesen beiden Werten. Die Funktion EZ ist
gleich Null für
xe1 kleiner oder gleich –0,5
oder xe2 kleiner oder gleich –1,
maximal für
xe1 oder xe2 gleich 0 und wieder Null für xe1 größer oder gleich +0,5 und xe2
größer oder
gleich +1; sie ist linear zwischen –0,5 und 0, dann 0 und +0,5 oder
je nach Fall zwischen –1
und 0, dann 0 und +1. Schließlich
ist die Funktion PG symmetrisch zu NG, d.h. Null für xe kleiner
oder gleich 0, maximal für
xe größer oder
gleich +1 und linear zwischen 0 und +1. Zusammenfassend hat jede
Variable x1 drei Komponenten NG (xe), EZ (xe) und PG (xe).
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Das
folgende Element des Regulators 37 ist ein Inferenzelement 44,
das die Variablen xs1 und xs2 untereinander nach einer Tabelle kombiniert. Daraus
geht ein Signal xr hervor, das ebenfalls vielfach ist und sich durch
Werte ausdrückt,
die in drei neuen Zugehörigkeitsfraktionen
entnommen werden, die hier auch mit NG, EZ und PG bezeichnet sind.
Die in dem Inferenzelement 44 dargestellte Tabelle zeigt, dass
die Kombination von zwei Komponenten NG von xe1 und xe2 eine Komponente
NG ist, ebenso wie die Kombination von Komponenten NG und EZ; die
Kombination von Komponenten PG und EZ ist eine Komponente PG, ebenso
wie die Kombination von zwei Komponenten PG; schließlich ist
die Kombination von Komponenten PG und NG eine Komponente EZ, ebenso
wie die Kombination von zwei Komponenten EZ.
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Dieser
logische Abschnitt des Regulators 37 bewirkt somit für die Ausgangsvariable
xr die Verstärkung
der Komponenten, die am besten den Unterschied zwischen dem Drucksollwert
und dem tatsächlichen
Druck in der nächsten
Zukunft nach der Ableitung dieses Unterschieds darstellen: die Komponenten
NG und PG von xs1 über wiegen
in den Kombinationen mit den Komponenten EZ und xs2; aber die äußersten
Komponenten NG und PG von xs2 betreffen immer die verschiedenen
Komponenten von xs1, wenn sie mit dieser kombiniert werden. Es wird
somit ein Antizipationseffekt der Bewertung des Unterschiedes zwischen
dem Drucksollwert und dem tatsächlichen
Druck erzielt.
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Die
unscharfe Variable xr mit drei Komponenten wird an ein Element zur
Aufhebung der Aufgabenteilung (defuzzification)
45 geliefert,
das sie in eine einfache Variable u mit Hilfe der neuen Funktionen
NG, EZ und PG umformt. Hier ist NG maximal für xr kleiner oder gleich –1, Null
für xr
größer oder
gleich 0 und linear zwischen –1
und 0; EZ ist gleich 0 für
xr gleich –1,
maximal für
xr = 0, Null für
xr größer oder gleich
+1 und linear zwischen –1
und 0 und o und +1. Schließlich
ist die Funktion PG Null für
xr kleiner oder gleich 0, maximal für xr größer oder gleich +1 und linear
zwischen 0 und +1. Der Wert u ist gleich
wobei fxr der Wert ist, der
von der resultierenden Zugehörigkeitsfunktion,
die sich aus NG, EZ und PG zusammensetzt, angenommen wird; er ist
auch gleich der Abszisse des Baryzentrums der resultierenden Zugehörigkeitsfunktion
fxr, die durch xr zwischen –1 und
+1 gewichtet ist. Er läuft
durch einen Multiplikator
46, der die durch die Divisionseinrichtungen
41 und
42 herbeigeführte Stufenänderung
korrigiert und das aus dem Regulator
37 kommende Signal
an das Steuermagnetventil
16 liefert.
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6 ermöglicht es,
die Antwort, die die Erfindung auf eine Beschleunigungssteuerung
gibt, mit einer Vorrichtung des Standes der Technik zu vergleichen.
Es handelt sich um ein hinsichtlich Zeit und Druck abgestuftes Diagramm,
und die Kurve 50 ist der Drucksoll wert, der eine abgestufte
Form, gefolgt von einer Druckstufe aufweist. Die Antwortkurve gemäß der Erfindung
hat das Bezugszeichen 51 und ist durch ein relativ rasches
Ansteigen bis zum Wert der Druckstufe, dann eine relativ große Stabilität um diese
gekennzeichnet. Mit einem herkömmlichen
Regulator, umfassend Proportional- und Integralterme, könnte die
Kurve 52 nach einer Einstellung der UCE, die einen ebenso
raschen Druckanstieg wie mit der Erfindung ergibt, erhalten werden:
die Sollwertüberschreitungen
(Overshoots) sind stark, ungefähr
20 % von der Höhe
der Stufe, und die Druckschwankungen bleiben dann viel stärker und
sind länger
als eine Sekunde spürbar.
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Die
Steuerungsart der Erfindung ist somit sowohl durch eine geringe
Trägheit
beim Anstieg als auch eine starke Trägheit an der Stufe gekennzeichnet.
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Es
ist ferner hinzuzufügen,
dass es die Erfindung ermöglicht,
da Signal der Steuerung leicht zu sättigen, d.h. leicht einen äußersten
Zustand des Magnetventils 16 und des Turbokompressors 7 zu
steuern, was offensichtlich für
Schnelligkeit des Übergangsbetriebs
gut ist, aber mit den Steuerungen des Standes der Technik schwer
zu erzielen war, so dass die Anmelderin in einer neuren französischen
Patentanmeldung vorgeschlagen hat, die Steuerung während der Übergangsbetriebe
völlig
wegzulassen und sie durch einen äußersten
Steuerungszustand des Turbokompressors zu ersetzen. Diese Lösung ist
hier unnötig.
