ES2278124T3 - Dispositivo de control de un motor sobrealimentado que comprende la utilizacion de un elemento de logica difusa. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo de mando de un motor sobrealimentado de automóvil, que comprende: un colector de admisión de aire (8) que llega al motor (1); un colector de escape de gases (11) que abandonan el motor; un turbocompresor (7) compuesto por un compresor (6) en el colector de admisión de aire y por una turbina (12) en el colector de escape de gases, siendo el turbocompresor de regulación variable; una unidad de mando electrónica (14) para actuar sobre una presión de sobrealimentación obtenida en el colector de admisión, entre el compresor y el motor, regulando el turbocompresor; comprendiendo la unidad de mando electrónica un módulo de cálculo de una consigna de presión de sobrealimentación (31), un módulo de cálculo de una diferencia de presión (36) entre la citada consigna de presión de sobrealimentación y la presión de sobrealimentación obtenida efectivamente, un módulo de regulación (37, 15) que actúa sobre el turbocompresor calculando un estado de regulación de éste, que comprende un elementoinformado por la diferencia de presión y que facilita una salida explotada para actuar sobre el turbocompresor, caracterizado porque el elemento del módulo de regulación es un elemento de lógica difusa (37) informado también por una derivada de la diferencia de presión con respecto al tiempo, y porque el dispositivo comprende un diferenciador (38) que calcula la derivada de la diferencia de presión.
Description
Dispositivo de control de un motor
sobrealimentado que comprende la utilización de un elemento de
lógica difusa.
El ámbito técnico de esta invención es el
automóvil y, de modo más preciso, el mando de motores diesel o de
gasolina sobrealimentados.
El mando del motor es la técnica de regulación
de las características de un motor de combustión interna por medio
del conjunto de sus captadores y accionadores. El conjunto de las
leyes de mando-control (estrategia de software) y
los parámetros de caracterización (calibración) del motor están
contenidos en un calculador denominado UCE o unidad de mando
electrónica. Además, los motores sobrealimentados comprenden un
turbocompresor compuesto de una turbina y de un compresor que sirve
para aumentar la cantidad de aire admitido en los cilindros. La
turbina está colocada a la salida del colector de escape y es
arrastrada por los gases de escape. La potencia facilitada por los
gases de escape a la turbina puede ser regulada instalando una
válvula de descarga o aletas que influyen sobre el caudal de gas que
atraviesa la turbina o la sección de paso ofrecida a estos gases. El
compresor está montado en el mismo eje que la turbina. Éste comprime
el aire que entra en el colector de admisión. Entre el compresor y
el colector de admisión puede estar colocado un intercambiador de
calor para enfriar el aire a la salida del compresor. Para gobernar
la apertura y el cierre de la válvula o de las aletas se utiliza un
accionador. La señal de mando del accionador es facilitada por la
UCE y permite controlar la presión de sobrealimentación presente en
el colector de admisión. La UCE calcula una consigna de presión en
el colector. Un captador de presión mide la presión real en el
colector.
La UCE recalcula continuamente la consigna de
presión de sobrealimentación, en función, por ejemplo, del régimen
del motor y del caudal de carburante (o bien a partir de una
consigna del caudal de aire y de riqueza), y ésta ayuda a regular
continuamente el turbocompresor por intermedio de reguladores para
hacer coincidir la consigna de presión con la consigna real que
reina en el colector de admisión.
Con el aumento de las características de los
motores sobrealimentados, el nivel de presión de sobrealimentación
aumenta, y también los turbocompresores están cada vez más
solicitados. Por tanto, es importante gobernar lo más finamente
posible los turbocompresores para evitar el deterioro del
turbocompresor y para mejorar la calidad de conducción del vehículo
en las aceleraciones.
La regulación del turbocompresor se efectúa,
clásicamente, por medio de señales que provienen de reguladores PID
(proporcional, integral, diferencial) de acuerdo con la evolución de
la diferencia entre la consigna de presión y la presión real medida.
Además, para dar un primer valor estimado de regulación del
turbocompresor en función del régimen del motor y del caudal, y
facilitar, así, la regulación, se añade, generalmente, a la UCE una
cartografía de preposicionamiento.
Sin embargo, se observa que el control de la
presión de sobrealimentación es difícil con los medios de control
conocidos hasta ahora. La consigna de presión de sobrealimentación
se presenta, típicamente, en forma de un escalón de presión que
aparece cuando se ha pisado el acelerador, y la presión real solo
llega a la altura del escalón después de un retardo. En algunos
sistemas, este retardo es importante; en otros, lo es mucho menos,
pero aparece enseguida un fenómeno oscilatorio de la presión real
por encima y por debajo del valor de consigna (lo que se denominan
overshoots y undershoots), y esta inestabilidad de regulación
perjudica la calidad de la conducción y puede provocar daños. El
objeto de la invención es facilitar una convergencia más rápida y
más estable de la presión de sobrealimentación hacia su valor de
consigna durante un régimen transitorio.
Se verá que un medio importante es la
utilización de un regulador de lógica difusa (o floja) en la UCE. Se
conocen algunos ejemplos de mando de motores sobrealimentados que
explotan la lógica difusa. La patente francesa 2 738 287 comprende
un elemento de este tipo, pero que se aplica más bien para regular
la diferencia de presión entre el colector de admisión y el colector
de escape, lo que impone colocar aquí otro captador que enriquezca
el sistema e implique una modificación bastante importante en el
modo de control del motor. En este caso, las dos variables
explotadas por el elemento de lógica difusa son la diferencia entre
la consigna de presión y la presión real, es decir, la variable
misma que hay que reducir, y la derivada con respecto al tiempo de
esta variable. Así pues, se puede suponer que el resultado exigido
anteriormente se conseguirá mejor.
Los documentos DE - 42 04 047 - A y WO -
95/02121-A describen medios de control que utilizan
el error entre un valor de consigna y un valor real, así como la
derivada con respecto al tiempo de este valor, pero en condiciones
que no convienen en el ámbito de la invención.
Para resumir, la invención, en su forma más
general, se refiere a un dispositivo de mando de un motor de
automóvil sobrealimentado, de acuerdo con la reivindicación 1.
Se pasa ahora a los comentarios de las figuras
siguientes:
- la figura 1 ilustra un sistema de motor
sobrealimentado y UCE;
- la figura 2 representa una UCE de acuerdo con
la invención;
- la figura 3 representa un módulo completo de
cálculo de una consigna de caudal de carburante;
- la figura 4 ilustra una variante de UCE;
- la figura 5 representa un elemento completo de
regulación de lógica difusa de acuerdo con la invención;
- y la figura 6 ilustra los resultados
obtenidos.
La figura 1 representa, en primer lugar, un
motor 1 de explosión alimentado de aire fresco por una entrada 2 y
que expulsa los gases quemados a través de un escape 3. El aire
fresco recorre un colector de admisión 8 y pasa sucesivamente por un
filtro 4 y un caudalímetro 5 y después por un compresor 6 de un
turbocompresor 7 que hay que regular. Después de haber sido
comprimido, éste pasa por un enfriador 9 y una válvula 10 de
recirculación de los gases de escape. Los gases de escape fluyen a
través de un colector de escape 11 y atraviesan una turbina 12 del
turbocompresor 7 y un filtro de partículas 13 antes de llegar al
escape 3. Una unidad de cálculo electrónica (UCE) está designada por
14, una electroválvula por 16, una bomba de vacío por 17, y un
vástago de regulación del turbocompresor 7 por 18. Un regulador
forma parte de la UCE 14 y facilita una señal de mando a la
electroválvula 16 que abre o cierra un conducto 20 de aspiración
entre una cámara 21 situada detrás del vástago 18 y la bomba de
vacío 17; la electroválvula es de apertura progresiva y, por tanto,
puede hacer variar a voluntad la presión en la cámara 21 de acuerdo
con el hundimiento del vástago 18. La UCE 14 explota una presión del
colector de admisión 8 que le facilita un captador 19 y una consigna
de presión que ésta calcula. Se pasa ahora al comentario de la
figura 2, que ilustra más en detalle la constitución de la UCE
14.
Valores de caudal de carburante inyectado y de
régimen del motor 1 son facilitados a una tarjeta lógica 31 que
facilita una consigna de presión de sobrealimentación a un borne
positivo de un substractor 36. El régimen del motor es facilitado
por un taquímetro 25 u otro captador que mida la velocidad de
rotación del árbol del motor. La consigna de caudal de carburante es
deducida de a salida de un captador 24 que mide el hundimiento del
pedal de aceleración. Se sabe que, en realidad, una consigna de
caudal de carburante se calcula por medio de una tarjeta lógica 28
(en la figura 3), informada por los captadores 24 y 25, y que esta
consigna puede ser limitada, normalmente durante los regímenes de
gran aceleración, por las salidas de otras dos tarjetas lógicas 29
y 30 informadas cada una por el captador 25 y, respectivamente, por
captadores 26 y 5 que indican la relación de la caja de cambio que
está engranada y el caudal de aire fresco. Las tarjetas 29 y 30 dan
límites de caudal de carburante aceptables en función del par del
motor admisible y de la necesidad de no producir humos negros. La
señal procedente de la tarjeta 28 es, por tanto, comparada
sucesivamente con las señales procedentes de las tarjetas 29 y 30 en
puertas 27 que eligen cada vez la señal mínima que le es aplicada; y
el caudal de carburante puede ser modificado también actuando sobre
la señal por una tarjeta 32 suplementaria que define una estrategia
de conducción confortable.
Volviendo a la figura 2, el captador de presión
19 facilita una señal al borne negativo del substractor 36, cuya
señal de salida es, por tanto, la diferencia entre la consigna de
presión de sobrealimentación y la presión de sobrealimentación
efectivamente medida en el colector de admisión 8. Esta diferencia
se aplica, habitualmente, a reguladores de cálculo de términos
proporcional, derivado e integral; en la invención, se utiliza ante
todo un regulador de lógica difusa 37 informado por la diferencia de
presión y su derivada con respecto al tiempo calculada por un
diferenciador 38. Si la función de control buscada tiene un término
proporcional dominante, se añade un regulador 39 de cálculo de
término integral para completar el control; si la función tiene un
término integral dominante, éste se calculará directamente por el
regulador de lógica difusa 37 y podrá omitirse regulador 39, como
esquematiza la figura 4. Se observa que la invención, además de un
buen mando del motor, permite una simplificación del regulador de la
UCE 14. En todos los casos, es ventajoso utilizar una tarjeta lógica
de preposicionamiento 33, informada ésta, también, por los
captadores 24 y 25, que da un valor inicial de regulación del
turbocompresor 7 válido durante regímenes estables y que, por tanto,
permite abordar los regímenes transitorios con una buena regulación
de partida. Las señales de salida de la tarjeta 33, del regulador de
lógica difusa 37 y, eventualmente, del regulador 39, se aplican a un
adicionador 40, y su suma se aplica a un regulador de salida 15 que
manda directamente la válvula 16.
La constitución del regulador 37 de lógica
difusa es la que a continuación se indica. Las señales que provienen
del substractor 36 y del diferenciador 38 llegan, después de haber
pasado por divisores 41 y 42 que las ponen en la escala correcta, a
un elemento 43 de reparto de tareas (fusificación) que las
transforma en variables xs1 y xs2. Mientras que las variables xe1 y
xe2 de entrada en el elemento 43 son simples, las variables xs1 y
xs2 son múltiples y resultan de la aplicación de las variables de
entrada xe1 y xe2 a una pluralidad de funciones de pertenencia
contenidas en el elemento 43. En el ejemplo propuesto, estas
funciones son en número de tres y están indicadas por NG (Negativo
Grande), EZ (Environ Zero, aproximadamente cero) y PG (Positivo
Grande). La primera función NG tiene un valor máximo para xe
inferior o igual a -1, nulo para xe superior o igual a 0 y lineal
entre estos dos valores. La función EZ es nula para xe1 inferior o
igual a -0,5 o xe2 igual a -1, máxima para xe1 o xe2 igual a 0 y de
nuevo nula para xe1 superior o igual a +0,5 y xe2 superior o igual a
+1; ésta es lineal entre -0,5 y 0, y entre 0 y +0,5 o, según el
caso, entre -1 y 0, entre 0 y +1. Finalmente, la función PG es
simétrica de NG, es decir, nula para xe inferior o igual a 0, máxima
para xe superior o igual a +1 y lineal entre 0 y +1. Para resumir,
cada variable x1 tiene tres componentes NG (xe), FZ (xe) y PG
(xe).
El elemento siguiente del regulador 37 es un
elemento de inferencia 44 que combina las variables xs1 y xs2 entre
sí de acuerdo con una tabla. De éste sale una señal xr que es
también múltiple y se expresa por valores tomados en tres nuevas
funciones de pertenencia, indicadas aquí también por NG, EZ y PG. La
tabla ilustrada en el elemento de inferencia 44 ilustra que la
combinación de dos componentes NG de xe1 y xe2 es una componente NG,
igual que la combinación de componentes NG y EZ; la combinación de
componentes PG y EZ es una componente PG, igual que la combinación
de dos componentes PG; finalmente, la combinación de componentes PG
y NG es una componente EZ, igual que la combinación de dos
componentes EZ.
Así pues, esta sección lógica del regulador 37
tiene por efecto reforzar, para la variable de salida xr, las
componentes que representarán lo mejor posible la diferencia entre
la consigna de presión y la presión real en el futuro próximo, de
acuerdo con la derivada de esta diferencia: las componentes NG y PG
de xs1 la llevan, en las combinaciones con las componentes EZ de
xs2, a éstas; pero las componentes extremas NG y PG de xs2 afectan
siempre a las componentes diferentes de xs1 cuando son combinadas
entre sí. Se obtiene, por tanto, un efecto de anticipación de la
evaluación de la diferencia entre la consigna de presión y la
presión real.
La variable xr difusa de tres componentes es
facilitada a un elemento de agrupación de tareas (desfusificación)
45 que la transforma en una variable simple u por medio de nuevas
funciones NG, EZ y PG. Aquí, NG es máxima para xr inferior o igual a
-1, nula para xr superior o igual a 0 y lineal entre -1 y 0; EZ es
igual a 0 para xr inferior o igual a -1, máxima para xr = 0, nula
para xr superior o igual a +1, y lineal entre -1 y 0, y 0 y +1.
Finalmente, la función PG es nula para xr inferior o igual a 0,
máxima para xr superior o igual a +1 y lineal entre 0 y +1. El valor
u es igual a 1 donde fxr es el valor tomado por la
función de pertenencia resultante compuesta por NG, EZ y PG; ésa es
también igual a la abscisa del baricentro de la función de
pertenencia resultante fxr ponderada por xr entre -1 y +1. Ésta
pasa por un multiplicador 46 que corrige el cambio de escala
aportado por los divisores 41 y 42 y facilita la señal procedente
del regulador 37 a la electroválvula de mando 16.
La figura 6 permite comparar la respuesta que la
invención aporta a un mando de aceleración con la de un dispositivo
anterior. Se trata de un diagrama graduado en tiempo y en presión, y
la curva 50 es la consigna de presión, que tiene una forma en
escalón seguida de una meseta. La curva de respuesta de acuerdo con
la invención tiene la referencia 51 y se caracteriza por una subida
bastante rápida hasta el valor de la meseta y después una
estabilidad bastante grande alrededor de ésta. Con un regulador
ordinario que comprende términos proporcional e integral, podría
obtenerse la curva 52 después de una regulación de la UCE que da una
subida en presión tan rápida como con la invención: los
rebasamientos de consigna (overshoot) son importantes,
aproximadamente el 20% de la altura de la meseta, y las oscilaciones
de presión se mantienen después mucho mayores y son sensibles
durante más de un segundo.
Así pues, el modo de control de la invención
está caracterizado, a la vez, por una inercia pequeña en la subida y
una inercia grande en la meseta.
Debe añadirse todavía que la invención permite
saturar fácilmente la señal de mando, es decir, mandar fácilmente un
estado extremo de la electroválvula 16 y del turbocompresor 7, lo
que, evidentemente, es ventajoso para la rapidez del régimen
transitorio, pero que era difícil de obtener con los medios de
control anteriores, hasta el punto de que la solicitante había
propuesto suprimir completamente el control durante los regímenes
transitorios y reemplazarlo por un estado extremo de mando de
turbocompresor en una solicitud de patente francesa reciente. Esta
solución se hace aquí inútil.
Claims (4)
1. Dispositivo de mando de un motor
sobrealimentado de automóvil, que comprende: un colector de admisión
de aire (8) que llega al motor (1); un colector de escape de gases
(11) que abandonan el motor; un turbocompresor (7) compuesto por un
compresor (6) en el colector de admisión de aire y por una turbina
(12) en el colector de escape de gases, siendo el turbocompresor de
regulación variable; una unidad de mando electrónica (14) para
actuar sobre una presión de sobrealimentación obtenida en el
colector de admisión, entre el compresor y el motor, regulando el
turbocompresor; comprendiendo la unidad de mando electrónica un
módulo de cálculo de una consigna de presión de sobrealimentación
(31), un módulo de cálculo de una diferencia de presión (36) entre
la citada consigna de presión de sobrealimentación y la presión de
sobrealimentación obtenida efectivamente, un módulo de regulación
(37, 15) que actúa sobre el turbocompresor calculando un estado de
regulación de éste, que comprende un elemento informado por la
diferencia de presión y que facilita una salida explotada para
actuar sobre el turbocompresor, caracterizado porque el
elemento del módulo de regulación es un elemento de lógica difusa
(37) informado también por una derivada de la diferencia de presión
con respecto al tiempo, y porque el dispositivo comprende un
diferenciador (38) que calcula la derivada de la diferencia de
presión.
2. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación
1, caracterizado porque el módulo de regulación comprende,
también, un elemento integrador (39) de la diferencia de la presión
en función del tiempo, que facilita una salida que se añade a la
salida del elemento de lógica difusa para actuar sobre el
turbocompresor.
3. Dispositivo de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque el módulo de
regulación comprende, también, una tarjeta de preposicionamiento
(33) que facilita una parte que se añade a la salida del elemento de
lógica difusa para actuar sobre el turbocompresor, y que es
informada por indicadores de régimen de motor y de caudal de
carburante inyectado.
4. Dispositivo de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el elemento
de lógica difusa comprende una sección lógica de inferencia (44) que
tiene por efecto anticipar estados futuros de la diferencia de
presión de acuerdo con los estados presentes de la derivada.
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