ES2278124T3 - Dispositivo de control de un motor sobrealimentado que comprende la utilizacion de un elemento de logica difusa. - Google Patents

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.