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Technisches Sachgebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Systeme und Verfahren zum
Steuern eines Fahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor, der einen Turbolader
mit veränderlicher
Geometrie umfasst.
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Stand der Technik
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Beim
Steuern von Verbrennungsmotoren verwendet die herkömmliche
Praxis elektronische Steuereinheiten, die einen flüchtigen
und nicht-flüchtigen
Speicher, einen Eingangs- und
Ausgangs-Treiberschaltkreis und einen Prozessor, der dazu geeignet
ist, einen gespeicherten Anweisungssatz auszuführen, um die verschiedenen
Funktionen des Motors und seiner zugeordneten Systeme zu steuern,
verwenden. Eine bestimmte elektronische Steuereinheit kommuniziert
mit zahlreichen Sensoren, Aktuatoren und anderen elektronischen
Steuereinheiten, um die verschiedenen Funktionen zu steuern, die
verschiedene Aspekte einer Kraftstoffzufuhr, einer Getriebesteuerung,
einer Steuerung des Turboladers, oder vieler anderer, umfassen können.
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Ein
Turbolader besteht aus einer Turbine und einem Kompressor. Der Druck
der Motorabgase bewirkt, dass sich die Turbine dreht. Die Turbine
treibt den Kompressor an, der typischerweise auf derselben Welle
montiert ist. Der sich drehende Kompressor erzeugt einen Turboladedruck,
der eine erhöhte Leistung
während
der Verbrennung entwickelt.
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Ein
Turbolader mit veränderlicher
Geometrie besitzt bewegbare Komponenten zusätzlich zu der Rotor-Gruppe.
Diese bewegbaren Komponenten können
die Geometrie des Turboladers durch Ändern des Flächenbereichs
oder der Flächenbereiche
in der Turbinenstufe ändern,
durch die Abgase von dem Motor strömen, und/oder können den
Winkel ändern, unter
dem die Abgase in die Turbine eintreten oder diese verlassen. Der
Turbolader führt, in
Abhängigkeit
von der Geometrie des Turboladers, sich verändernde Größen eines Turboladedrucks zu
dem Motor zu. Der Turbolader mit veränderlicher Geometrie kann elektronisch
so gesteuert werden, um die Größe des Turboladedrucks
basierend auf verschiedenen Betriebszuständen zu variieren.
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In
einem Turbolader mit veränderlicher
Geometrie ist das Turbinengehäuse
für einen
Motor überdimensioniert
und die Luftströmung
wird auf das erwünschte
Niveau herab gedämpft.
Dabei sind verschiedene Gestaltungen für den Turbolader mit veränderlicher
Geometrie vorhanden. In einer Ausführung besitzt eine variable
Einlassdüse
eine Kaskade aus bewegbaren Flügeln,
die schwenkbar so vorgesehen sind, um den Bereich und den Winkel
zu ändern,
unter dem die Luftströmung
in das Turbinenrad eintritt. In einer anderen Ausführung besitzt
der Turbolader eine bewegbare Seitenwand, die den effektiven Querschnittsflächenbereich
des Turbinengehäuses
variiert.
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Ein
herkömmliches
Steuersystem für
einen Turbolader mit veränderlicher
Geometrie verwendet eine elektronische Steuereinheit, die eine Lade-Liste, die
darin gespeichert ist, besitzt. Die Ladeliste enthält das optimale
Laden für
einen Motor als eine Funktion der Motorbetriebszustände. Die
Steuereinheit überwacht
die Motorbetriebszustände
unter Verwendung von Sensoren und bestimmt das erwünschte Laden anhand
der Ladeliste. Die Geometrie des Turboladers wird inkremental basierend
auf dem erwünschten
Ladedruck, der anhand der Ladeliste erhalten ist, eingestellt.
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Ein
grundsätzlicher
Vorteil, der herkömmlichen
Steuersystemen für
Turbolader mit veränderlicher
Geometrie zugeordnet ist, ist die Tatsache, dass der Turboladedruck
eine langsame Ansprechzeit auf inkrementale Änderungen in der Geometrie
des Turboladers besitzt. Da das optimale Laden über die Ladeliste kontinuierlich
mit variierenden Motorbetriebsumständen variiert, ist die langsame
Ansprechzeit des Turboladedrucks auf inkrementale Änderungen
in der Geometrie des Turboladers schwierig vorzunehmen, um eine
präzise
Steuerung des Turboladers zu erreichen. Diese langsame Ansprechzeit
gestaltet viele der Emissions- und Fahrvorteile eines Turboladers
mit veränderlicher
Geometrie unerreichbar.
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Als
der nächstliegende
Stand der Technik wird die
US
4779423 angesehen, die ein System und ein Verfahren zum
Steuern eines Fahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor, einer Vielzahl
von Motorsensoren, die Ausgänge
haben, die aktuelle Motorbedingungen anzeigen, und einem Turbolader
mit veränderlicher
Geometrie, dessen Geometrie durch ein steuerbares Stellglied verändert wird,
besitzt, wobei das System umfasst:
- – einen
Turbolader-Sensor, der einen Ausgang hat, der eine aktuelle Turbolader-Geometrie anzeigt;
- – eine
Steuerlogik, die eine Motordrehzahl bestimmt;
- – eine
Steuerlogik, die eine gewünschte
Turbolader-Geometrie direkt auf Basis der aktuellen Motorbedingungen
einschließlich
der Motordrehzahl und des Motordrehmoments bestimmt, die durch die
Steuerlogik bestimmt werden;
- – eine
Steuerlogik, die ein Fehlersignal bestimmt, indem sie die aktuelle
Turbolader-Geometrie
mit der durch die zweite Steuerlogik bestimmten gewünschten
Turbolader-Geometrie vergleicht; und
- – eine
Steuerlogik, die das Stellglied auf Basis des durch die dritte Steuerlogik
bestimmten Fehlersignals steuert, um die aktuelle Turbolader-Geometrie
so zu ändern,
dass sie der gewünschten
Turbolader-Geometrie folgt.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es
ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes
System und ein Verfahren zum Steuern eines Fahrzeugs zu schaffen, das
einen Verbrennungsmotor besitzt, der einen Turbolader mit veränderlicher
Geometrie umfasst.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System
und ein Verfahren zum Steuern eines Fahrzeugs zu schaffen, das einen
Verbrennungsmotor besitzt, der einen Turbolader mit veränderlicher
Geometrie umfasst, der eine präzise
Turboladedrucksteuerung über
einen weiten Bereich von Motorbetriebszuständen ermöglicht.
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Beim
Lösen der
vorstehenden Aufgaben und anderer Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung
werden ein System und ein Verfahren zum Steuern eines Fahrzeugs
mit einem Verbrennungsmotor, einer Vielzahl von Motorsensoren, die
Ausgänge
haben, die aktuelle Motorbedingungen anzeigen, und einen Turbolader
mit veränderlicher
Geometrie besitzt, geschaffen. Die Geometrie des Turboladers wird
durch ein steuerbares Stellglied variiert.
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Das
System weist einen Turbolader-Sensor, der einen Ausgang besitzt,
der für
die Geometrie des Turboladers kennzeichnend ist, eine Steuerlogik
zum Bestimmen einer erwünschten
Geometrie des Turboladers basierend auf den aktuellen Motorbedingungen
und eine Steuerlogik zum Bestimmen eines Fehlersignals durch Vergleichen
der aktuellen Turbolader-Geometrie mit einer gewünschten Turbolader-Geometrie
auf. Die Steuerlogik steuert das Stellglied basierend auf dem Fehlersignal,
um die aktuelle Turbolader-Geometrie
so zu verändern,
dass sie der gewünschten
Turbolader-Geometrie folgt.
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Vorzugsweise
weist das System weiterhin eine Steuerlogik zum Bestimmen eines
Betätigungssignals
basierend auf dem Fehlersignal, wenn die Größe des Fehlersignals einen
Stellschwellwert übersteigt,
auf. Die Steuerlogik bestimmt zumindest eine Steuerkomponente und
ein moduliertes Signal basierend auf der mindestens einen Steuerkomponenten
und dem Stellsignal. Das modulierte Signal wird an einen Eingang
des Stellglieds angelegt.
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Weiterhin
umfasst, in einer bevorzugten Ausführungsform, das System eine
Steuerlogik zum Auswählen
eines Motor-Betriebsmodus aus der Gruppe, die aus einem normalen
Modus und wenigstens einem speziellen Modus besteht, und zwar basierend auf
den aktuellen Motorbedingungen, und die Steuerlogik zum Bestimmen
der gewünschten
Turbolader-Geometrie in jedem der Motorbetriebsmoden. In dem normalen
Modus bestimmt die Steuerlogik eine gefilterte Rate der Änderung
eines ersten Motorparameters auf Basis der aktuellen Motorbedingungen. Die
gewünschte
Turbolader-Geometrie wird für
eine Gleichgewichtsbedingung des ersten Motorparameters bestimmt;
und die gewünschte
Turbolader-Geometrie wird für Übergangsbedingungen
des ersten Motorparameters bestimmt.
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Die
gewünschte
Turbolader-Geometrie basiert auf der erwünschten Turbolader-Geometrie
für Gleichgewichtsbedingungen
des ersten Motorparameters, der gewünschten Turbolader-Geometrie
für Übergangsbedingungen
des ersten Motorparameters und der gefilterten Änderungsrate des ersten Motorparameters.
Vorzugsweise basiert die erwünschte
Turbolader-Geometrie weiterhin auf einem Geometrie-Offset. Das Geometrie-Offset
basiert auf einer gefilterten Rate einer Änderung eines zweiten Motorparameters.
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Darüber hinaus
bestimmt, in einer bevorzugten Ausführungsform, die Steuerlogik
die gewünschte
Turbolader-Geometrie basierend auf einem Motordrehzahlparameter,
der für
die Motordrehzahl steht, und auf einem Motordrehmomentparameter,
der für das
Motordrehmomenterfordernis steht. Zusätzlich kann die erwünschte Turbolader-Geometrie
weiterhin auf einer gefilterten Rate einer Änderung des Motordrehzahlparameters
und einer gefilterten Rate einer Änderung des Motordrehmomentparameters
basieren.
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Weiterhin
wird, gemäß der vorliegenden
Erfindung, ein hergestellter Gegenstand geschaffen, der ein mittels
Computer lesbares Speichermedium, das darauf gespeicherte Informationen
besitzt, die Anweisungen darstellen, die durch Computer so ausführbar sind,
um ein Fahrzeug zu steuern, das einen Verbrennungsmotor besitzt,
der einen Turbolader mit variabler Geometrie aufweist, geschaffen.
Ein mittels Computer lesbares Speichermedium weist weiterhin Anweisungen
zum Bestimmen einer aktuellen Turbolader-Geometrie auf Basis eines
Turbolader-Sensorausgangs, Anweisungen zum Bestimmen einer erwünschten
Turbolader-Geometrie, Anweisungen zum Bestimmen eines Fehlersignals
und Anweisungen zum Steuern des Stellglieds auf.
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Darüber hinaus
wird, gemäß der vorliegenden
Erfindung, ein Verfahren zum Steuern eines Fahrzeugs, das einen
Verbrennungsmotor besitzt, der einen Turbolader mit variabler Geometrie
umfasst, geschaffen. Das Verfahren weist ein Bestimmen einer aktuellen
Turbolader-Geometrie auf Basis eines Turbolader-Sensorausgangs,
Bestimmen einer erwünschten
Turbolader-Geometrie basierend auf aktuellen Motorbedingungen, Bestimmen
eines Fehlersignals und Steuern des Stellglieds auf.
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Die
Vorteile, die die vorliegende Erfindung auszeichnen, sind zahlreich.
Zum Beispiel sind Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung
dazu geeignet, einen Turbolader mit variabler Geometrie mit einer
solchen Präzision
zu steuern, dass ein Turboladedruck genau über einen weiten Bereich von Motordrehzahlen,
Belastungen und Betriebsmoden steuerbar ist.
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Die
vorstehenden Aufgaben und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile
der vorliegenden Erfindung werden leicht aus der nachfolgenden,
detaillierten Beschreibung des besten Modus zum Ausführen der
Erfindung ersichtlich werden, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen
gesehen wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
ein schematisches Diagramm eines Systems zum Steuern eines Fahrzeugs,
das einen Verbrennungsmotor besitzt, der einen Turbolader mit veränderlicher
Geometrie umfasst;
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2 zeigt
ein Blockdiagramm eines Steuersystems mit geschlossener Schleife
der vorliegenden Erfindung, das ein Stellglied basierend auf einem Fehlersignal
der Turbolader-Geometrie steuert;
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3 zeigt
ein Blockdiagramm, das eine Steuerlogik zum Bestimmen von RPMPOS
darstellt, das eine erste Komponente einer erwünschten Turbolader-Geometrie
in dem normalen Betriebsmodus ist;
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4 zeigt
ein Blockdiagramm, das eine Steuerlogik zum Bestimmen von TRQPOS
darstellt, das eine zweite Komponente einer erwünschten Turbolader-Geometrie
in dem normalen Betriebsmodus ist;
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5 zeigt
ein Blockdiagramm, das ein Verfahren der vorliegenden Erfindung
zum Steuern eines Turboladers mit veränderlicher Geometrie darstellt;
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6 zeigt
ein Blockdiagramm, das ein Verfahren der vorliegenden Erfindung
zum Bestimmen einer erwünschten
Turbolader-Geometrie darstellt, wenn sich der Motor in dem normalen
Betriebsmodus befindet; und
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7 zeigt
ein Flussdiagramm, das ein Verfahren der vorliegenden Erfindung
zum Bestimmen des Motorbetriebsmodus und der entsprechenden Turbolader-Geometrie
auf Basis von aktuellen Motorbedingungen darstellt.
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Bester Modus zum Ausführen der
Erfindung
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In
der 1 nun ist ein System zum Steuern eines Fahrzeugs
dargestellt. Das System, das allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet
ist, umfasst einen Verbrennungsmotor 12, der eine Vielzahl von
Zylindern besitzt, von denen jeder mit einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung 14 versorgt
wird. Der Motor 12 ist, in einer bevorzugten Ausführungsform,
ein Verbrennungsmotor mit Selbstzündung, wie beispielsweise ein
Vier-, Sechs-, Acht-, Zwölf-,
Sechzehn- oder Vierundzwanzig-Zylinder-Dieselmotor, oder ein Dieselmotor,
der irgendeine andere erwünschte
Anzahl an Zylindern besitzt. Die Kraftstoffeinspritzeinrichtungen 14 nehmen
unter Druck stehenden Kraftstoff von einem Vorrat, der mit einer oder
mehreren Hoch- oder Niederdruckpumpen (nicht dargestellt) verbunden
ist, wie dies im Stand der Technik bekannt ist, auf. Alternativ
können
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl von Einheitspumpen (nicht
dargestellt) einsetzen, wobei jede Pumpe eine der Kraftstoffeinspritzeinrichtungen 14 versorgt.
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Das
System 10 umfasst einen Turbolader 50 mit variabler
Geometrie, um Luft in die Zylinder zu ziehen, um eine erhöhte Leistung
während
einer Verbrennung zu erzeugen. Das Motorabgas wird zu den Turbolader-Turbineneinlässen entlang
Leitungen 56 geführt.
Luft, die in den Motorlufteinlass gezogen ist, wird durch die Kompressoren
und zu dem Motor über Lufteinlassleitungen 58 geführt. Es
sollte auch verständlich
werden, dass das einzelne Turboladesystem zu Zwecken der Erläuterung
dargestellt ist und dass Systeme und Verfahren der vorliegenden
Erfindung in einem Mehrfach-Turboladesystem eingesetzt werden können.
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Das
System 10 kann auch verschiedene Sensoren 20 zum
Erzeugen von Signalen umfassen, die für die entsprechenden Betriebsbedingungen oder
Parameter des Motors 12, des Fahrzeuggetriebes (nicht dargestellt),
des Turboladers 50 und anderer Fahrzeugkomponenten kennzeichnend
sind. Die Sensoren 20 stehen in einer elektrischen Verbindung mit
einer Steuereinheit 22 über
Eingangsanschlüsse 24.
Die Steuereinheit 22 umfasst vorzugsweise einen Mikroprozessor 26,
der in Verbindung mit verschiedenen mittels Computer lesbaren Speichermedien 28 über einen
Daten- und Steuerbus 30 steht. Die mittels Computer lesbaren
Speichermedien 28 können
irgendeine Anzahl von Vorrichtungen umfassen, die als ein Read-Only-Memory
(ROM) 32, als ein Random-Access-Memory (RAM) 34,
ein Keep-Alive-Memory (KAM) 36, und dergleichen, arbeiten. Das
mittels Computer lesbare Speichermedium kann durch irgendeine Anzahl
von bekannten physikalischen Vorrichtungen umgesetzt sein, die zum
Speichern von Informationen geeignet sind, die Anweisungen darstellen,
die über
einen Computer, wie beispielsweise die Steuereinheit 22,
durchführbar
sind. Bekannte Vorrichtungen können
einen PROM, einen EPROM, einen EEPROM, einen Flash-Memory, und dergleichen,
zusätzlich
zu magnetischen, opti schen und Kombinations-Medien, die für eine zeitweilige oder
permanente Datenspeicherung geeignet sind, umfassen, sind allerdings
nicht hierauf beschränkt.
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Mittels
Computer lesbare Speichermedien 28 führen eine Steuerlogik über eine
Software, eine Firmware, eine Hardware, einen Mikrocode und/oder einen
diskreten oder integrierten Schaltkreis aus, um eine Steuerung verschiedener
Systeme und Untersysteme des Fahrzeugs, wie beispielsweise des Motors 12,
eines Fahrzeuggetriebes (nicht dargestellt), eines Turboladers 50,
und dergleichen, vorzunehmen. Die Steuereinheit 22 nimmt
Signale von Sensoren 20 über Eingangsanschlüsse 24 auf
und erzeugt Ausgangssignale, die zu verschiedenen Stellgliedern und/oder
Bauteilen über
Ausgangsanschlüsse 38 zugeführt werden
können.
Signale können
auch zu einer Anzeigevorrichtung 40 zugeführt werden,
die verschiedene Anzeigen, wie beispielsweise Leuchten 42,
umfassen, um den Fahrer des Fahrzeugs Informationen in Bezug auf
den Betrieb des Systems zu übermitteln.
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Eine
Daten-, Diagnostik- und Programmierschnittstelle 44 kann
auch wahlweise mit der Steuereinheit 22 über einen
Stecker 46 verbunden werden, um verschiedene Informationen
dazwischen auszutauschen. Die Schnittstelle 44 kann dazu
verwendet werden, Werte innerhalb des mittels Computer lesbaren
Speichermediums 28 zu ändern,
wie beispielsweise Konfigurationseinstellungen, Kalibrierungsvariablen,
Fehlerschwellwerte, Betätigungsschwellwerte,
eine Steuerlogik, Durchsichtstabellenwerte, und dergleichen.
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Die
Steuereinheit 22 empfängt
im Betrieb Signale von Sensoren 20 und führt eine
Steuerlogik so aus, um einen oder mehrere Turbolader mit veränderlicher
Geometrie durch Steuern eines Stellglieds, das dazu geeignet ist,
die aktuelle Turbolader-Geometrie so zu verändern, um die erwünschte Turbolader-Geometrie
zu erzielen, zu steuern. Die erwünschte
Turbolader-Geometrie wird auf Basis irgendeiner Anzahl von Motorbedingungen
und/oder -Parametern bestimmt, die für Motorbedingungen kennzeichnend
sind. Zum Beispiel können
ein Motordrehzahlparameter, der für die Motordrehzahl kennzeichnend
ist, eine gefilterte Rate einer Änderung des
Motordrehzahlparameters, ein Motordrehmomentparameter, der für ein momentanes
Motordrehmomenterfordernis kennzeichnend ist, und/oder eine Rate
einer Änderung
des Motordrehmomentparameters als eine Basis für die erwünschte Turbolader-Geometrie
verwendet werden. Weiterhin können
andere Motorbedingungen und/oder -parameter, die für solche
Zustände
kennzeichnend sind, so verwendet werden, wie dies erwünscht ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Steuereinheit 22 eine DDEC Steuereinheit, die von
Detroit Diesel Corporation, Detroit, Michigan, erhältlich ist.
Verschiedene andere Merkmale dieser Steuereinheit sind im Detail
in den US-Patenten Nr.'n
5,477,827 und 5,445,128 beschrieben, wobei die Offenbarungen davon
hier unter Bezugnahme auf deren Gesamtheit eingeschlossen werden.
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Wie
weiterhin 1 zeigt, steuert eine logische
Steuereinheit, wie beispielsweise ein Mikroprozessor 26,
die Signale, die zu den Kraftstoffeinspritzeinrichtungen 14 geschickt
sind. Der Mikroprozessor 26 bestimmt ein provisorisches
Motordrehmomenterfordernis auf der Basis einer Anforderung des Fahrers
und momentaner Betriebsbedingungen. Das provisorische Motordrehmoment
kann Einstellungen für
einen Zylinderausgleich und/oder andere Einstellungen, um ein gefordertes
Motordrehmomenterfordernis zu bestimmen, so, wie dies erwünscht ist,
unterworfen werden. Die Signale, die zu den Kraftstoffeinspritzeinrichtungen 14 geschickt
sind, werden dann auf das geforderte Motordrehmomenterfordernis
gestützt.
Bei einem Turboladesystem 50 mit veränderlicher Geometrie bestimmt
der Mikroprozessor 26 den Betriebsmodus des Turboladersystems,
wie beispielsweise einen normalen Modus, einen Start-Modus, einen
Leerlauf-Modus oder einen Motorbrems-Modus, auf Basis der aktuellen Motorbetriebszustände. Die
erwünschte
Turbolader-Geometrie
wird vorzugsweise anhand von Durchsichtstabellen entsprechend zu
dem aktuellen Motorbetriebsmodus bestimmt und durch einen Motordrehzahlparameter
und einen Motordrehmomentparameter indexiert, wie dies noch beschrieben
werden wird.
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Die
Steuerlogik kann, wie durch einen Fachmann auf dem betreffenden
Fachgebiet ersichtlich werden wird, in irgendeiner oder einer Kombination einer
Vielzahl von Steuerlogik-Methodologien ausgeführt oder umgesetzt werden.
Die verschiedenen Funktionen werden vorzugsweise durch einen programmierten
Mikroprozessor, wie beispielsweise die DDEC Steuereinheit, vorgenommen,
können
allerdings eine oder mehrere Funktion(en) umfassen, die durch entsprechende
elektrische, elektronische oder integrierte Schaltungen ausgeführt werden.
Die Steuerlogik kann, wie ersichtlich werden wird, unter Verwendung
irgendeiner Anzahl von bekannten Programmier- und Verarbeitungstechniken
oder Strategien ausgeführt
werden und ist nicht auf die Reihenfolge oder die Abfolge, die hier
zur Vereinfachung dargestellt ist, beschränkt. Zum Beispiel wird typischerweise
eine Unterbrechungs- oder eine durch ein Ereignis geführte Verarbeitung
in Realzeit- Steueranwendungen
eingesetzt, wie beispielsweise Steuerung eines Fahrzeugmotors oder
eines Getriebes. In ähnlicher
Weise können
parallele Verarbeitungen oder Multi-Tasking-Systeme und -Verfahren verwendet
werden, um die Aufgaben, die Merkmale und die Vorteile der vorliegenden
Erfindung zu erreichen. Die vorliegende Erfindung ist von der bestimmten
Programmiersprache, dem Betriebssystem oder dem Prozessor, die dazu
verwendet werden, die Steuerlogik, die dargestellt ist, auszuführen, unabhängig.
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Ein
Steuersystem 60 mit geschlossener Schleife zum Steuern
eines Fahrzeugs, das einen Verbrennungsmotor besitzt, der einen
Turbolader 64 mit veränderlicher
Geometrie umfasst, wird, unter Bezugnahme auf 2,
dargestellt. Das Steuersystem 60 wird über eine Steuerlogik, eine
Vielzahl Motorsensoren, die Ausgänge
haben, die für
die aktuellen Motorbedingungen kennzeichnend sind, und einen Turbolader-Sensor,
der einen Ausgang besitzt, der für
die aktuelle Turbolader-Geometrie kennzeichnend ist, ausgeführt. Der
Turbolader 64 mit veränderlicher
Geometrie umfasst ein steuerbares Stellglied, um die Geometrie des
Turboladers zu variieren. Der Turbolader-Geometriesensor kann in
einer Vielfalt von Arten und Weisen ausgeführt werden und ist vorzugsweise
ein mittels Zylinder integrierter Positionssensor. Der Zylinder
ist so betätigbar,
um die Geometrie des Turboladers durch Verlängern oder Zurückziehen
des Kolbens innerhalb des Zylinders zu ändern, um eine Einstellung
der Position einer Kaskade von Turbineneinlassschaufeln einzustellen.
Alternativ kann das Verlängern
oder Zurückziehen
des Kolbens innerhalb des Zylinders effektiv die Position einer
bewegbaren Seitenwand einstellen. Bekannte Sensoren für Anwendungen
innerhalb des Zylinders umfassen den linear-variablen Induktanzwandler
(linear variable inductance transducer – LVIT) und den linear-resistiven
Wandler (linear resistive transducer – LRT). Der Zylinder wird vorzugsweise
durch eine Fluidquelle betätigt,
die durch ein Ventil 66 gesteuert wird. Es sollte ersichtlich
werden, dass andere Typen von Stellglieder/Sensoranordnungen vorgesehen werden
können.
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Das
Ventil 66 ist mit einer geeigneten Fluidquelle verbunden
und ist elektronisch so betätigbar, um
die Geometrie des Turboladers zu verändern, indem der Kolben innerhalb
des Zylinders bewegt wird. Die Position des Kolbens in Bezug auf
den Zylinder bestimmt die Geometrie des Turboladers. Der sich im Zylinder
befindliche Sensor ist dazu geeignet, die Kolben-Position zu erfassen,
die für
die aktuelle Turbolader-Geometrie kennzeichnend ist.
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Das
Steuersystem 60 mit geschlossener Schleife umfasst eine
Steuerlogik 62, um eine erwünschte Turbolader-Geometrie
auf Basis der aktuellen Motorbedingungen zu bestimmen. Das Steuersystem 60 mit
geschlossener Schleife umfasst weiterhin eine Steuerlogik, um eine
aktuelle Turbolader-Geometrie zu bestimmen, zum Beispiel durch Verarbeiten
des Ausgangs des sich im Zylinder befindlichen Positionssensors
des Turboladers 64 mit variabler Geometrie. Die Steuerlogik 66 bestimmt
ein Fehlersignai, indem die aktuelle Turbolader-Geometrie mit der
erwünschten
Turbolader-Geometrie verglichen wird. Die Steuerlogik 54 steuert
das Stellglied, wie beispielsweise das Ventil 66, auf Basis
des Fehlersignals, um die aktuelle Turbolader-Geometrie so zu ändern, um
die erwünschte
Turbolader-Geometrie zu erfüllen.
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Die
Steuerlogik 54 umfasst vorzugsweise eine Steuerlogik 68,
um ein Betätigungssignal
zu bestimmen. Das Betätigungssignal
ist gleich zu Null immer dann, wenn die Größe des Fehlersignals nicht
einen Betätigungsschwellwert überschritten
hat. Wenn die Größe des Fehlersignals
den Betätigungsschwellwert übersteigt,
begrenzt die Steuerlogik 68 das Betätigungssignal zwischen einer
maximalen, positiven Stufe und einer maximalen, negativen Stufe.
Vorzugsweise besitzt der Betätigungsschwellwert eine
gewisse Hysterese, um zu verhindern, dass das Betätigungssignal
schwankt. Weiterhin müssen
der positive und der negative Schwellwert nicht dieselben sein;
und die Größe der Hysterese
an jedem Schwellwert kann variieren. Das Betätigungssignal ist durch die
Steuerlogik 68 so begrenzt, um ein überstarkes Ansprechen von der
Steuerlogik 70 zu verhindern.
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Die
Steuerlogik 70 bestimmt zumindest eine Steuergröße und ist
vorzugsweise eine proportionale, integrale oder ableitende Steuereinheit.
Die Steuerlogik 70 bestimmt ein moduliertes Signal auf
Basis deren Steuergrößen und
des Betätigungssignals. Vorzugsweise
arbeitet die Steuerlogik 70 mit der Steuerlogik 72 so
zusammen, um ein impulsbreitenmoduliertes Signal zu bestimmen. Das
Stellglied, wie beispielsweise das Ventil 66, ist so aufgebaut,
um durch ein solches impulsbreitenmoduliertes Signal angesteuert
zu werden; und die Steuerlogik 62 legt das modulierte Signal
an den Eingang des Stellglieds an. Es sollte ersichtlich sein, dass
die Impulsbreitenmodulation für
ein System vom digitalen Steuertyp bevorzugt ist; allerdings können andere
Modulationsschemata vorgesehen werden, wie beispielsweise ein amplitudenmoduliertes
Analogsignal.
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Die
aktuelle Turbolader-Geometrie wird durch den Turbolader-Sensor überwacht
und mit der erwünschten
Turbolader-Geometrie, wie sie durch die Steuerlogik 62 bestimmt
ist, verglichen. Wenn der Motor in einem normalen Betriebszustand
arbeitet, werden die RPMPOS-Logik 74 und die TRQPOS-Logik 76 verwendet,
um die erwünschte
Turbolader-Geometrie
zu bestimmen. Vorzugsweise addiert ein Summierer 78 jeweils
erste und zweite Komponenten der erwünschten Turbolader-Geometrie
von der RPMPOS Logik 74 und der TRQPOS Logik 76.
Der Motor kann andere Betriebszustände haben, wie beispielsweise
einen Start-Modus, in dem die erwünschte Turbolader-Geometrie
durch die Start-Modus-Logik 80 bestimmt
wird, und einen Leerlauf-Modus, in dem die erwünschte Turbolader-Geometrie
durch die Leerlauf-Modus-Logik 82 bestimmt wird, und einen Brems-Modus (während eines
Motorabbremsens), in dem die erwünschte
Turbolader-Geometrie durch die Brems-Modus-Logik 84 bestimmt
wird. Es sollte auch ersichtlich werden, dass, entsprechend der
vorliegenden Erfindung, die erwünschte
Turbolader-Geometrie, wie sie in irgendeiner einer Anzahl von Arten und
Weisen durch die Steuerlogik 62 bestimmt ist, mit der aktuellen
Turbolader-Geometrie, wie sie von dem Turbolader-Sensorausgang bestimmt
ist, verglichen wird. Das Fehlersignal wird verarbeitet, um ein moduliertes
Signal zu bestimmen, um das Stellglied anzusteuern. Das vorstehend
beschriebene Steuersystem 62 schafft ein Rückführsteuersystem
mit geschlossener Schleife, bei dem die Schleife um die Turbolader-Geometrie
herum geschlossen ist.
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Die
Steuereinheit bestimmt einen Motorbetriebszustand aus der Gruppe,
die aus einem normalen Modus und zumindest einem speziellen Modus, wie
beispielsweise einem Start-Modus,
einem Leerlauf-Modus oder einem Brems-Modus, besteht. Die RPMPOS-Logik 74 bestimmt,
wie am besten in 3 dargestellt ist, eine gewünschte Turbolader-Geometrie,
wenn der Motorbetriebszustand der normale Modus ist. Die Steuerlogik 74 umfasst
eine Gleichgewichtszustand-Logik 92 und eine Übergangslogik 94. Weiterhin
nimmt die Steuerlogik 74 eine Vielzahl von Eingängen auf,
die vorzugsweise einen Motordrehzahlparameter 96, einen
Drehmomenterfordernisparameter 98 und einen RATP-Eingang 100 umfassen. RATP
ist für
die Größe der Änderungsrate
der Motordrehzahl kennzeichnend. Der Ausgang 102 der Steuerlogik 74 ist
RPMPOS.
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Wenn
der Drehmomentparameter 98 nicht eine Motordrehmoment-Erfordernisgrenze
mit einer Hysterese überschritten
hat und der Motordrehzahlparameter 96 nicht eine Motor drehzahlgrenze
mit einer Hysterese überstiegen
hat, wird RPMPOS als entweder der Ausgang der Gleichgewichts-Zustand-Logik 62 oder
als der Ausgang der Übergangslogik 94 auf
Basis des RATP-Eingangs 100 ausgewählt. Wenn RATP nicht einen
RATP-Schwellwert
mit einer Hysterese überschritten
hat, ist RPMPOS der Ausgang der Übergangslogik 94.
Wenn RATP den RATP-Schwellwert mit einer Hysterese überschritten hat,
ist RPMPOS der Ausgang der Gleichgewichtszustand-Logik 92.
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Aufgrund
der unmittelbaren Verschiebung zwischen dem Ausgang der Gleichgewichtszustand-Logik
und dem Ausgang der Übergangs-Logik auf
Basis des Werts von RATP, kann eine hohe Kraftstoffökonomie
erreicht werden, während
die Reaktion auf Übergänge in der
Motordrehzahl beschleunigt wird. Wenn entweder das erwünschte Drehmoment die
Motordrehmoment-Erfordernisgrenze überschritten hat oder die Motordrehzahl
die Motordrehzahlgrenze überschritten
hat, wird RATP direkt verwendet, um einen wenig aggressiven stufenweisen Übergang
zwischen der Gleichgewichtszustand-Logik 92 und der Übergangs-Logik 94 dann
zu erreichen, wenn RPMPOS bestimmt wird. Wenn das erwünschte Drehmoment
die Drehmomentgrenze überschritten
hat oder die Motordrehzahl die Drehzahlgrenze überschritten hat, wird RATP
vorzugsweise auf einen Wert zwischen Null und Eins skaliert und
dazu verwendet, geeignet die Ausgänge der Gleichgewichts-Zustand-Logik 92 und
der Übergangs-Logik 94 zu
gewichten, um eine gewichtete Summe an dem RPMPOS-Ausgang 102 bereitzustellen.
Es sollte auch ersichtlich werden, dass ein anderer, stufenweiser Übergang,
der angenähert
wird, in Kombination oder als Alternative eingesetzt werden kann.
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Die
Steuerlogik, um die erwünschte
Turbolader-Geometrie zu bestimmen, wenn sich der Motorbetriebsmodus
in dem normalen Modus befindet, umfasst weiterhin eine TRQPOS-Logik 76,
wie 4 zeigt. Die TRQPOS-Logik 76 umfasst
eine Drehmoment-Logik 112 und nimmt einen Delta-Drehmomenteingang 114 auf,
der die Änderungsrate
des Motordrehmomentparameters ist. Die TRQPOS-Logik 76 nimmt
auch den Motordrehzahlparameter 118 auf. Das Delta-Drehmoment 114 wird
durch einen Filter 116 verarbeitet, um eine gefilterte Änderungsrate
des Motordrehmomentparameters zu bestimmen. Der Filter 116 filtert
die Änderungsrate
des Motordrehmomentparameters unter Verwendung einer vorbestimmten
Zeitkonstanten immer dann, wenn sich die Änderungsrate des Motordrehmomentparameters
zu Null von entweder einem positiven oder einem negativen Wert be wegt
hat. Eine Bewegung der Änderungsrate
des Motordrehmomentparameters weg von Null entweder in der positiven
Richtung, oder in der negativen Richtung, immer dann, wenn die Änderungsrate
des Motordrehmoments negativ ist, ist vorzugsweise ungefiltert,
um ein schnelles Ansprechen auf plötzliche, hohe Drehmomenterfordernisse
oder plötzliche
Motorbremserfordernisse zu ermöglichen. Plötzliche
Bewegungen des Drehmomenterfordernisses zu Null hin, wie dies während eines
Gangschaltens auftreten würde,
werden mit einer Zeitkonstante in Erwartung eines erneuten Anwendens
des vorherigen Drehmomenterfordernisses gefiltert. Die Drehmoment-Logik 112 bestimmt
dann TRQPOS auf Basis eines Motordrehzahlparameters 118 und
der gefilterten Änderungsrate
des Motordrehmomentparameters von dem Filter 116. Der TRQPOS-Ausgang 120 wird
dann mit dem RPMPOS-Ausgang 102 (3) an einem
Summierer 78 (2) aufsummiert. TRQPOS liefert
ein Turbolader-Geometrie-Offset, um RPMPOS für Variationen des Drehmomenterfordernisses
zu kompensieren.
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Die
Gleichgewichtszustand-Logik 92, die Übergangs-Logik 94 und
die Drehmoment-Logik 112 sind vorzugsweise über Durchsichtstabellen
ausgeführt,
wie die 3 und 4 zeigen.
Die Gleichgewichtszustand-Logik 92 und die Übergangs-Logik 94 werden
vorzugsweise durch den Motordrehzahlparameter und den Motordrehmomentparameter
indexiert; allerdings sollte ersichtlich werden, dass andere Steuerschemata
vorgesehen werden können,
die andere Indizes einsetzen, oder zusätzliche Durchsichtstabellen,
wie beispielsweise eine strenge Übergangs-Durchsichtstabelle
und eine schwache Übergangs-Durchsichtstabelle,
usw.. Weiterhin umfasst die Drehmoment-Logik 112 eine Durchsichtstabelle, die
durch eine gefilterte Änderungsrate
des Motordrehmomentparameters und des Motordrehzahlparameters indexiert
ist; allerdings können
alternativ andere Indizes, falls dies erwünscht ist, verwendet werden.
Die Werte, die in der Gleichgewichtszustand-Logik, der Übergangs-Logik
und den Drehmoment-Logik-Durchsichtstabellen enthalten sind, die damit
zusammenarbeiten, enthalten Werte, die Trends dahingehend haben,
die erwünschten
Motorfunktionserfordernisse zu erzeugen. Die Trends der Werte, die
in diesen Durchsichtstabellen enthalten sind, können in Abhängigkeit von der erwünschten Motorfunktionsweise,
wie beispielsweise maximale Kraftstoffökonomie, maximale Leistung,
usw., variieren. Weiterhin können
die Durchsichtstabellen gegen andere Typen von Modulen ersetzt werden
oder damit zusammenarbeiten, wie beispielsweise analytische Funktionen
oder stückweise
lineare Modelle, und andere Modelle, die durch Fachleute auf dem
betreffenden Fachgebiet bekannt sind.
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Unter
Bezugnahme auf 5 wird ein Verfahren der vorliegenden
Erfindung zum Steuern eines Fahrzeugs, das einen Verbrennungsmotor
besitzt, der einen Turbolader mit veränderlicher Geometrie enthält, dargestellt.
An einem Block 130 wird die aktuelle Turbolader-Geometrie
bestimmt. Die aktuelle Turbolader-Geometrie wird durch eine Steuerlogik,
wie beispielsweise durch Anweisungen, die durch einen Computer ausführbar sind,
bestimmt. Die aktuelle Turbolader-Geometrie kann anhand einer Vielzahl
von Sensoranordnungen bestimmt werden und wird vorzugsweise anhand
des Ausgangs eines sich im Zylinder befindlichen Positionssensors, der
innerhalb des Stellglieds vom Kolben/Zylinder-Typ angeordnet ist, bestimmt. Am Block 132 wird die
erwünschte
Turbolader-Geometrie für
die aktuellen Motorbetriebsumstände
bestimmt. Die erwünschte
Turbolader-Geometrie kann in einer Vielzahl von Arten und Weisen
bestimmt werden und wird vorzugsweise über das zuvor bestimmte Durchsichts-Tabellenschema
auf Basis eines Motordrehzahlparameters, einer Änderungsrate des Motordrehzahlparameters,
einem Motordrehmomentparameter und einer Änderungsrate des Motordrehmomentparameters
bestimmt. Allerdings sollte ersichtlich werden, dass irgendwelche
Motorbedingungen und/oder Motorparameter, die für die Motorbetriebsumstände kennzeichnend
sind, dazu verwendet werden können,
die erwünschte
Turbolader-Geometrie für
die aktuellen Motorbedingungen zu bestimmen.
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Am
Block 134 wird ein Fehlersignal bestimmt. Das Fehlersignal
wird durch Vergleichen der aktuellen Turbolader-Geometrie mit der
geforderten Turbolader-Geometrie, auf Basis der aktuellen Motorbedingungen,
bestimmt. Die aktuelle Turbolader-Geometrie wird durch den Turbolader-Sensorausgang
angezeigt, und die erwünschte
Turbolader-Geometrie wird durch einen geforderten Sensorausgang
dargestellt. Der aktuelle Turbolader-Sensorausgang wird mit dem geforderten
Ausgang verglichen, um das Fehlersignal zu bestimmen.
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Vorzugsweise
ist das Fehlersignal darauf beschränkt, ein Betätigungssignal
zu bestimmen; und weiterhin wird das Betätigungssignal nur dann bestimmt,
wenn die Größe des Fehlersignals
einen Betätigungsschwellwert
mit einer Hysterese übersteigt. Der
Betäti gungsschwellwert
mit einer Hysterese und die Begrenzungseinrichtung ermöglichen
aggressivere Motorsteuereinheit-Verstärkungen, während die Stabilität der Rückführ-Steuereinheit beibehalten wird.
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Am
Block 138 wird mindestens eine Steuerbedingung bestimmt.
Die Steuerbedingungen können
zum Beispiel einen proportionalen Term, einen integralen Term, einen
ableitenden Term umfassen, und werden vorzugsweise als eine Zustands-Raum-Übertragungsfunktion
ausgeführt;
allerdings kann ein analoges Rückführsteuersystem oder
ein kombinatorisches analoges und digitales System eingesetzt werden.
Am Block 140 werden die Steuerterme und das Aktionssignal
verarbeitet, um ein moduliertes Signal zu bestimmen. Das modulierte Signal
ist vorzugsweise ein impulsbreitenmoduliertes Signal, um das Stellglied
des Turboladers mit variabler Geometrie anzusteuern. Am Block 142 wird
das modulierte Signal an den Stellglied-Eingang angelegt, um die
momentane Turbolader-Geometrie so zu ändern, um die erwünschte Turbolader-Geometrie nachzuführen.
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Ein
bevorzugtes Verfahren der vorliegenden Erfindung zum Bestimmen der
erwünschten
Turbolader-Geometrie wird, unter Bezugnahme auf 5, dargestellt.
Am Block 150 wird eine gefilterte Änderungsrate des Motordrehzahlparameters
bestimmt. Wenn der Motor in dem normalen Betriebsmodus arbeitet,
bestimmt der Block 152 die erwünschte Turbolader-Geometrie
unter einer Gleichgewichts-Motordrehzahl. Weiterhin bestimmt der
Block 154 eine geforderte Turbolader-Geometrie bei einer Übergangs-Motordrehzahl.
Am Block 156 wird eine provisorische, geforderte Turbolader-Geometrie
auf Basis der erwünschten
Gleichgewichts- und Übergangs-Turbolader-Geometrien
bestimmt. Wenn der Motordrehzahlparameter größer als die Motordrehzahlgrenze
ist oder der Motordrehmomentparameter größer als die Motordrehmoment-Anforderungsgrenze
ist, ist die provisorische, geforderte Turbolader-Geometrie eine
gewichtete Summe der erwünschten
Gleichgewichtszustand- und Übergangszustand-Geometrien.
Die Gewichtungsfaktoren für jede
Komponente, das bedeutet die Gleichgewichtszustandskomponente und
die Übergangskomponente
werden von RATP bestimmt, was eine gefilterte, begrenzte und skalierte Änderungsrate
des Motordrehzahlparameters ist. Wenn sich der Motordrehzahlparameter
unterhalb der Motordrehzahlgrenze befindet und sich der Motordrehmomentparameter unterhalb
der Drehmomenterfordernisgrenze befindet, wird die erwünschte Turbolader-Geometrie
als entweder die Gleichgewichtszustand-Geometrie oder die Übergangs-Geometrie,
auf Basis des Werts von RATP, ausgewählt.
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Es
sollte ersichtlich werden, dass dann, wenn der Motor nicht unter
der normalen Bedingung arbeitet, das bedeutet der Motor arbeitet
in dem Start-Modus, dem Leerlauf-Modus oder dem Motorbrems-Modus,
oder in irgendeinem anderen speziellen Motor-Modus, der in dem Steuersystem
ausgeführt
wird, die erwünschte
Turbolader-Geometrie durch andere Verfahren, wie beispielsweise
eine einzelne Durchsichtstabelle für jede spezielle Motorbedingung,
bestimmt werden kann.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird, wenn in dem normalen Betriebsmodus gearbeitet wird, eine gefilterte Änderungsrate
des Motordrehmomentparameters am Block 158 bestimmt. Am Block 160 wird
ein Geometrie-Offset auf Basis der gefilterten Änderungsrate des Motordrehmomentparameters
bestimmt. Vorzugsweise wird das Geometrie-Offset weiterhin auf Basis
des Motordrehzahlparameters bestimmt. Am Block 160 wird
die erwünschte
Turbolader-Geometrie für
die momentanen Motorbedingungen auf Basis der provisorischen, erwünschten
Turbolader-Geometrie und des Geometrie-Offsets bestimmt.
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Es
sollte verständlich
werden, dass der Motordrehzahlparameter und der Motordrehmomentparameter
bevorzugte Motorparameter zum Bestimmen der erwünschten Turbolader-Geometrien sind.
Andere Motorparameter können
gegen die Motordrehzahl- und Motordrehmomentparameter substituiert
oder ergänzt
werden, falls dies erwünscht
ist. Weiterhin können
verschiedene andere Verfahren, um die erwünschte Turbolader-Geometrie
zu bestimmen, auf Basis der Motorbedingungen und von Parametern
in Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
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In 7 ist
ein Verfahren der vorliegenden Erfindung zum Bestimmen der Motorbetriebsumstände dargestellt.
Beginnend am Start-Block 170 wird eine Prüfung in
Bezug auf den Motorstartmodus am Entscheidungs-Block 172 durchgeführt. Wenn
sich der Motor in dem Startmodus befindet, weist der Block 174 die
Steuereinheit an, die erwünschte
Geometrie für
den Start-Modus zu verwenden, was vorzugsweise über eine Durchsichtstabelle
ausgeführt wird,
wie dies zuvor beschrieben ist. Am Entscheidungs-Block 176 prüft eine
Steuereinheit, um zu sehen, ob der Motor in einem Leerlauf-Modus
arbeitet. Falls der Modus in einem Leerlauf-Modus arbeitet, verwendet
die Steuereinheit eine Durchsichtstabelle für die erwünschte Turbolader-Geometrie
in dem Leerlauf-Modus, wie dies am Block 178 angegeben ist.
An einem Entscheidungs-Block 180 prüft die Steuereinheit, um zu
sehen, ob sich der Motor in einem Motorbrems-Modus befindet. Falls
bestimmt ist, dass sich der Motor in einem Motorbrems-Modus befindet,
wird die Durchsichtstabelle für
die erwünschte Turbolader-Geometrie
im Brems-Modus verwendet, wie dies am Block 182 angegeben
ist. Falls der Motor nicht in dem Start-Modus, dem Leerlauf-Modus
oder dem Motorbrems-Modus
arbeitet, dann wird bestimmt, dass der Motor in einem normalen Modus
arbeitet. Die Durchsichtstabellen für die erwünschte Geometrie im normalen
Modus werden dann verwendet, wie dies am Block 184 angegeben
ist.
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Es
sollte ersichtlich werden, dass andere Betriebsmoden gegen solche,
die dargestellt sind, substituiert werden können, oder zusätzliche
Betriebsmoden können
zu solchen, die dargestellt sind, ergänzt werden. Weiterhin sollte
ersichtlich werden, dass der Vorgang zum Bestimmen des Modus in
einer Vielzahl von Arten und Weisen ausgeführt werden kann, die eine verschiedene
Reihenfolge der Entscheidungsblöcke 172, 176, 180,
oder irgendwelche anderen Entscheidungsblöcke, ermöglichen.
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Es
sollte verständlich
werden, dass Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung ein
Fahrzeug steuern können,
das einen Verbrennungsmotor mit einem Turbolader mit veränderlicher
Geometrie besitzt. Das System und das Verfahren der vorliegenden
Erfindung sehen eine Steuerung mit geschlossener Schleife auf Basis
eines Fehlersignals, das von einer aktuellen Turbolader-Geometrie
und einer erwünschten
Turbolader-Geometrie für
die aktuellen Motorbetriebsumstände
bestimmt ist, vor.
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Während der
beste Modus zum Ausführen der
Erfindung im Detail beschrieben worden ist, werden Fachleute auf
dem betreffenden Fachgebiet, an die sich die Erfindung richtet,
verschiedene alternative Anordnungen und Ausführungsformen erkennen, um die
Erfindung, wie sie in den nachfolgenden Ansprüchen definiert ist, auszuführen.