DE102007003246B4

DE102007003246B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Steuerung von mit AGR ausgestatteten Verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE102007003246B4
Application number: DE102007003246.5A
Authority: DE
Inventors: Ognyan N. Yanakiev; Chan-Chiao Lin; Sherif H. El Tahry
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-01-30
Filing date: 2007-01-23
Publication date: 2017-04-27
Anticipated expiration: 2027-01-24
Also published as: US7321820B2; US20070175452A1; CN101025122B; DE102007003246A1; CN101025122A

Abstract

Motorsteuerungssystem (10), das ein Abgasrückführungsventil (AGR-Ventil) (34) aufweist, umfassend: ein erstes Modul (402), das einen AGR-Fehler bestimmt; und ein zweites Modul (406), das einen Kraftstoffinjektionszeitpunkt auf der Grundlage des AGR-Fehlers berechnet, wobei der Betrieb eines Motors (12) auf der Grundlage des Kraftstoffinjektionszeitpunkts geregelt wird, um Emissionen während eines transienten Betriebs zu verringern; dadurch gekennzeichnet, dass das erste Modul (402) den AGR-Fehler auf der Grundlage einer Sollwert-AGR und einer geschätzten AGR bestimmt, die von einem vierten Modul (400) auf der Grundlage einer Luftmassenströmung (MAF) und einer Beladungsströmung (CF) durchgeführt wird, das die Luftmassenströmung unter Verwendung eines MAF-Sensors (47) und die Beladungsströmung auf der Grundlage einer Motordrehzahl, eines Krümmerabsolutdrucks (MAP), einer Ansaugkrümmertemperatur und des volumetrischen Wirkungsgrads des Motors (12) bestimmt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verbrennungsmotoren und insbesondere eine Verbrennungssteuerung zur Verminderung von Motoremissionen. Eine derartige, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgebildete Verbrennungssteuerung ist beispielsweise aus der DE 103 21 192 A1 bekannt.
Verbrennungsmotoren verbrennen ein Luft- und Kraftstoffgemisch, um ein Antriebsdrehmoment zu erzeugen. Genauer gesagt wird Luft in den Motor angesaugt und mit Kraftstoff vermischt. Das Luft- und Kraftstoffgemisch wird in Zylindern verbrannt, um eine Kurbelwelle zur Erzeugung eines Antriebsdrehmoments anzutreiben. Eine Luftmassenströmung in den Motor und die Menge von injiziertem Kraftstoff bestimmen den Betrag des erzeugten Antriebsdrehmoments.
Einige Motoren umfassen Abgasrückführungssysteme (AGR-Systeme), um den Motorbetrieb zu verbessern und die Motoremissionen zu verringern, wie dies beispielsweise in der DE 103 21 192 A1 beschrieben wird. Das AGR-System umfasst ein AGR-Ventil, das eine Menge von Abgas regelt, welche an den Ansaugkrümmer zurückgeführt wird. Das zusätzliche Abgas beeinflusst die Menge von Motoransaugluft durch die Drossel. AGR ist das effizienteste Mittel zur Verringerung der Gesamtemissionen. Große Mengen an AGR (z. B. bis zu 60%) können nötig sein, um die Emissionen ausreichend zu vermindern, so dass Regulierungsanforderungen erfüllt werden.
Während transienter Manöver können die benötigte Menge von AGR und die tatsächlich erreichte AGR aufgrund von Verzögerungen in dem Motorsystem voneinander abweichen. In einigen Fällen könnte der Unterschied ziemlich deutlich sein, was zu einem inakzeptablen Anstieg der Emissionen (d. h. NO_x und HC) während transienter Manöver führen kann.
Entsprechend schafft die vorliegende Erfindung ein Motorsteuerungssystem, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
Bei anderen Ausführungsformen berechnet das zweite Modul den Kraftstoffinjektionszeitpunkt auf der Grundlage einer Zeitkonstante und eines Basiskraftstoffinjektionszeitpunkts. Das Motorsteuerungssystem umfasst ferner ein drittes Modul, das die Zeitkonstante auf der Grundlage des AGR-Fehlers bestimmt. Der Basiskraftstoffinjektionszeitpunkt wird auf der Grundlage einer Motordrehzahl und eines Motordrehmoments bestimmt.
Nachfolgend wird die Erfindung rein beispielhaft anhand einer vorteilhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der:
1 ein Funktionsblockdiagramm eines beispielhaften Motorsystems ist, welches auf der Grundlage der erfindungsgemäßen Verbrennungssteuerung geregelt wird;
2 beispielhafte Injektionszeitpunkt-, NO_x- und HC-Aufzeichnungen während eines beispielhaften Fahrzeugmanövers darstellt, welche eine herkömmliche Verbrennungssteuerung mit der erfindungsgemäßen Verbrennungssteuerung vergleichen;
3 ein Flussdiagramm ist, das beispielhafte Schritte darstellt, die von der erfindungsgemäßen Verbrennungssteuerung ausgeführt werden; und
4 ein Funktionsblockdiagramm beispielhafter Module ist, welche die erfindungsgemäße Verbrennungssteuerung ausführen.
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform ist rein beispielhafter Natur und beabsichtigt keinesfalls, die Erfindung, ihre Anwendung oder Verwendungen zu beschränken. Zum Zwecke der Klarheit werden gleiche Bezugszeichen in den Zeichnungen verwendet, um ähnliche Elemente zu bezeichnen. In diesem Kontext bezieht sich der Begriff Modul auf einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC von application specific integrated circuit), einen elektronischen Schaltkreis, einen Prozessor (aufgeteilt, dezidiert, oder Gruppe) und einen Speicher, die ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführen, einen Schaltungslogikschaltkreis und/oder andere geeignete Komponenten, welche die beschriebene Funktionalität bereitstellen.
Nun auf 1 Bezug nehmend ist ein beispielhaftes Motorsystem 10 gemäß der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. Das Motorsystem 10 umfasst einen Motor 12, einen Ansaugkrümmer 14, ein Kraftstoffinjektionssystem 16 und ein Abgassystem 18. Der beispielhafte Motor 12 umfasst sechs Zylinder 20, die in benachbarten Zylinderbänken 22, 24 in einer V-Typ-Anordnung eingerichtet sind. Obwohl 1 sechs Zylinder (N = 6) abbildet, ist es einzusehen, dass der Motor 12 zusätzliche oder weniger Zylinder 20 umfassen kann. Beispielsweise werden Motoren mit 2, 4, 5, 8, 10, 12 und 16 Zylindern in Betracht gezogen. Es ist ferner einzusehen, dass der Motor 12 beispielhafter Natur ist und eine Zylinderanordnung vom Reihentyp ebenso in Betracht gezogen wird.
Durch eine Drossel 25 und ein Filter 27 wird Luft in den Ansaugkrümmer 14 eingesaugt. Aus dem Ansaugkrümmer 14 wird Luft in die Zylinder 20 eingesaugt und darin komprimiert. Durch das Injektionssystem 16 wird Kraftstoff injiziert, und das Luft/Kraftstoffgemisch wird in den Zylindern 20 verbrannt. Die Abgase werden aus den Zylindern 20 und in das Abgassystem 18 ausgestoßen. Bei einigen Ausführungen kann das Motorsystem 10 einen Turbo 26 umfassen, der zusätzliche Luft in die Zylinder 20 pumpt. Bei einem derartigen System komprimiert der Turbo 26, der durch das Abgas angetrieben wird, die Luft, und die komprimierte Luft strömt durch die Drossel 25.
Das Abgassystem 18 umfasst einen Abgaskrümmer 30, eine Abgasleitung 31, ein AGR-Ventil 34, eine AGR-Leitung 35 und einen AGR-Kühler 36. Der Abgaskrümmer 30 leitet das Abgas aus den Zylinderbänken 22, 24 in die Abgasleitung 31. Das AGR-Ventil 34 führt selektiv einen Teil des Abgases durch die AGR-Leitung 35 zurück, wie nachfolgend genauer beschrieben wird. Der Rest des Abgases wird in den Turbo 26 geleitet, um den Turbo 26 anzutreiben. Der Abgasstrom strömt aus dem Turbo 26 zu einem (nicht dargestellten) Abgasnachbehandlungssystem.
Ein Steuerungsmodul 42 regelt den Betrieb des Motorsystems 10 auf der Grundlage der erfindungsgemäßen Verbrennungssteuerung. Genauer gesagt steuert das Steuerungsmodul 42 den Betrieb sowohl des Kraftstoffinjektionszeitpunkts (d. h. den Punkt, an dem Kraftstoff in einen Zylinder injiziert wird relativ zu einem Kurbelwellenwinkel und einer Kolbenstellung in dem Zylinder) als auch des AGR-Ventils 34. Das Steuerungsmodul 42 steht mit einem Ansaugkrümmerabsolutdrucksensor 44 (MAP-Sensor) und einem Motordrehzahlsensor 46 in Verbindung. Der MAP-Sensor 44 erzeugt ein Signal, welches den Luftdruck in dem Ansaugkrümmer 14 anzeigt, und der Motordrehzahlsensor 46 erzeugt ein Signal, das die Motordrehzahl (RPM) anzeigt. Das Steuerungsmodul 42 bestimmt eine Motorlast auf der Grundlage der Drehzahl und Kraftstoffzufuhrraten. Das Steuerungsmodul 42 steht auch mit einem Luftmassenstromsensor 47 (MAF-Sensor), der ein MAF-Signal erzeugt, und einem Ansaugkrammertemperatursensor 49, der auf die Ansaugkrümmerlufttemperatur (T_IM) anspricht, in Verbindung.
Die erfindungsgemäße Verbrennungssteuerung regelt das AGR-Ventil 34 und den Kraftstoffinjektionszeitpunkt, um Emissionsabweichungen während eines transienten Motorbetriebs zu minimieren. In diesem Kontext bezieht sich der Begriff transient auf einen Übergang des Motorbetriebs von einem ersten stationären Zustand in einen zweiten stationären Zustand. Die Verbrennungssteuerung stellt den Kraftstoffinjektionszeitpunkt auf der Grundlage eines AGR-Fehlers (AGR_ERR) nach. AGR_ERR wird als die Differenz zwischen einer geschätzten tatsächlichen AGR-Rate (AGR_EST) und einer Sollwert-AGR-Rate (AGR_SP) berechnet. AGR_EST wird auf der Grundlage der Differenz von MAF und einer geschätzten Beladungsströmung (CF) geschätzt. MAF wird unter Verwendung des MAF-Sensors 47 direkt gemessen. CF wird unter Verwendung einer Drehzahl-Dichtebeziehung als eine Funktion von T_IM, MAP, Motordrehzahl und Volumeneffizienz (V_EFF) des Motors berechnet. AGR_SP wird unter Verwendung einer in einem Speicher abgelegten vorbestimmten Nachschlagetabelle auf der Grundlage der Motordrehzahl und des Motordrehmoments bestimmt.
Die Verbrennungssteuerung bestimmt einen Basisinjektionszeitpunkt (INJ_BASE) aus einem Hauptinjektionszeitplan. Genauer gesagt wird INJ_BASE unter Verwendung einer in einem Speicher abgelegten vorbestimmten Nachschlagetabelle auf der Grundlage der Motordrehzahl und des Motordrehmoments, oder wie beispielsweise in Basshuysen, R. v.; Schäfer, F.: Lexikon Motorentechnik auf Seite 123 beschrieben, auf Grundlage der Motorlast, Drehzahl und Temperatur bestimmt. Ein tatsächlicher Injektionszeitpunkt (INJ_ACT) wird auf der Grundlage von INJ_BASE und AGR_ERR bestimmt. Genauer gesagt wird eine Zeitkonstante (k_TIME) unter Verwendung einer in einem Speicher abgelegten vorbestimmten Nachschlagetabelle auf der Grundlage von AGR_ERR bestimmt. k_TIME wird unter Verwendung von Dynamiken wie zum Beispiel einem Filter auf INJ_BASE angewendet. Beispielsweise können zeitveränderliche Filter erster Ordnung unter Verwendung von k_TIME auf INJ_BASE angewendet werden, um INJ_ACT zu bestimmen. Auf diese Weise wird keine zusätzliche Zeitpunktkalibrierung benötigt. Alternativ kann INJ_ACT aus einer vorbestimmten Nachschlagetabelle auf der Grundlage von AGR_ERR und INJ_BASE bestimmt werden, und ein Filter kann auf die Tabellenausgabe angewendet werden.
Bei stationärem Betrieb beeinflusst das Filter INJ_BASE nicht, wobei INJ_ACT gleich INJ_BASE ist. Bei transientem Betrieb stellt das Filter INJ_BASE jedoch nach, um INJ_ACT bereitzustellen. Auf diese Weise bestimmt die erfindungsgemäße Verbrennungssteuerung automatisch, wann der Motor in einem transienten Zustand arbeitet.
Der Kraftstoffinjektionszeitpunkt ist ein im Vergleich zu AGR schnellerer Motorbetriebsaktuator und verfügt über genügend Steuerungseinfluss, um HC und NO_x während Abweichungen von AGR_EST von AGR_SP zu beeinflussen. Als ein Ergebnis wird unter Verwendung von INJ_ACT als dem auf AGR_ERR basierenden Steuerungsparameter eine aktive und effiziente Verringerung der Emissionen ermöglicht. Ferner kann die erfindungsgemäße Verbrennungssteuerung in dem gesamten Motorbetriebsbereich betrieben werden, und sie eliminiert den Bedarf für eine Umschaltlogik zwischen verschiedenen Verbrennungsmodi (z. B. Verbrennung bei niedriger Temperatur, Diffusionsverbrennung, teilweise HCCI-Verbrennung) durch eine Schaffung von nahtlosen Übergängen zwischen diesen.
Nun auf 2 Bezug nehmend sind beispielhafte Aufzeichnungen von Injektionszeitpunkten (INJ_ACT), NO_x und HO_x für einen beispielhaften transienten Motorbetrieb (z. B. Beschleunigung) dargestellt. in der Abbildung von 2 bezeichnet die durchgezogene Linie eine herkömmliche Verbrennungssteuerung, während die gestrichelte Linie die Verbrennungssteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung bezeichnet. Wie dargestellt, ist INJ_ACT unter Verwendung der erfindungsgemäßen Verbrennungssteuerung relativ zu dem, der eine herkömmliche Verbrennungssteuerung verwendet, frühverstellt. Als ein Ergebnis sind die NO_x-Emissionen gegenüber den unter Verwendung der herkömmlichen Verbrennungssteuerung erzeugten leicht erhöht, die HC-Emissionen sind unter Verwendung der erfindungsgemäßen Verbrennungssteuerung jedoch deutlich verringert.
Nun auf 3 Bezug nehmend werden beispielhafte Schritte, die durch die erfindungsgemäße Verbrennungssteuerung ausgeführt werden, genau beschrieben. Bei Schritt 300 bestimmt die Steuerung INJ_BASE, MAF, CF und AGR_SP. Bei Schritt 302 berechnet die Steuerung AGR_EST auf der Grundlage von MAF und CF. Die Steuerung berechnet bei Schritt 304 AGR_ERR auf der Grundlage von AGR_SP und AGR_EST und bestimmt bei Schritt 306 k_TIME auf der Grundlage von AGR_ERR. Bei Schritt 308 bestimmt die Steuerung INJ_ACT auf der Grundlage von INJ_BASE und k_TIME. Die Steuerung regelt bei Schritt 310 den Betrieb des Motors auf der Grundlage von INJ_ACT, und die Steuerung endet.
Nun auf 4 Bezug nehmend werden beispielhafte Module, welche die Verbrennungssteuerung ausführen, genau beschrieben. Die beispielhaften Module umfassen ein AGR-Schätzmodul 400, einen Summierer 402, ein Modul 404 zur Bestimmung von k_TIME und ein Modul 406 zur Injektionszeitpunktberechnung. Das AGR-Schätzmodul 400 bestimmt AGR_EST auf der Grundlage von MAF und CF. Der Summierer 402 bestimmt AGR_ERR auf der Grundlage von AGR_SP und AGR_EST. k_TIME wird durch das Modul 404 zur Bestimmung von k_TIME auf der Grundlage von AGR_ERR bestimmt. Das Modul 406 zur Injektionszeitpunktberechnung berechnet INJ_ACT auf der Grundlage von k_TIME und INJ_BASE. Anschließend wird der Motor 12 auf der Grundlage von INJ_ACT betrieben.
Zusammengefasst betrifft die Erfindung ein Motorsteuerungssystem, das ein Abgasrückführungsventil (AGR-Ventil), ein erstes Modul, das einen AGR-Fehler bestimmt, und ein zweites Modul, das einen Kraftstoffnjektionszeitpunkt auf der Grundlage des AGR-Fehlers berechnet, umfasst. Der Betrieb eines Motors wird auf der Grundlage des Kraftstoffinjektionszeitpunkts geregelt, um Emissionen während eines transienten Betriebs des Motors zu verringern.

Claims

Motorsteuerungssystem (10), das ein Abgasrückführungsventil (AGR-Ventil) (34) aufweist, umfassend: ein erstes Modul (402), das einen AGR-Fehler bestimmt; und ein zweites Modul (406), das einen Kraftstoffinjektionszeitpunkt auf der Grundlage des AGR-Fehlers berechnet, wobei der Betrieb eines Motors (12) auf der Grundlage des Kraftstoffinjektionszeitpunkts geregelt wird, um Emissionen während eines transienten Betriebs zu verringern; dadurch gekennzeichnet, dass das erste Modul (402) den AGR-Fehler auf der Grundlage einer Sollwert-AGR und einer geschätzten AGR bestimmt, die von einem vierten Modul (400) auf der Grundlage einer Luftmassenströmung (MAF) und einer Beladungsströmung (CF) durchgeführt wird, das die Luftmassenströmung unter Verwendung eines MAF-Sensors (47) und die Beladungsströmung auf der Grundlage einer Motordrehzahl, eines Krümmerabsolutdrucks (MAP), einer Ansaugkrümmertemperatur und des volumetrischen Wirkungsgrads des Motors (12) bestimmt.
Motorsteuerungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Modul (406) den Kraftstoffinjektionszeitpunkt auf der Grundlage einer Zeitkonstante und eines Basiskraftstoffinjektionszeitpunkts berechnet.
Motorsteuerungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner ein drittes Modul (404) umfasst, das die Zeitkonstante auf der Grundlage des AGR-Fehlers bestimmt.
Motorsteuerungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Basiskraftstoffinjektionszeitpunkt auf der Grundlage einer Motordrehzahl und eines Motordrehmoments bestimmt wird.
Verfahren zur Verringerung von Emissionen eines Motors (12) mit einem Abgasrückführungssystem (AGR-System) (10) während eines transienten Betriebs, welches umfasst, dass ein AGR-Fehler bestimmt wird; ein Kraftstoffinjektionszeitpunkt auf der Grundlage des AGR-Fehlers berechnet wird; und der Betrieb des Motors (12) auf der Grundlage des Kraftstoffinjektionszeitpunkts geregelt wird; dadurch gekennzeichnet, dass der AGR-Fehler auf der Grundlage einer Sollwert-AGR und einer geschätzten AGR bestimmt wird, die auf der Grundlage einer Luftmassenströmung (MAF) und einer Beladungsströmung (CF) bestimmt wird, wobei die MAF unter Verwendung eines MAF-Sensors (47) und die CF auf der Grundlage einer Motordrehzahl, eines Krümmerabsolutdrucks (MAP), einer Ansaugkrümmertemperatur und des volumetrischen Wirkungsgrads des Motors (12) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffinjektionszeitpunkt auf der Grundlage einer Zeitkonstante und eines Basiskraftstoffinjektionszeitpunkts berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitkonstante auf der Grundlage des AGR-Fehlers bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Basiskraftstoffinjektionszeitpunkt auf der Grundlage einer Motordrehzahl und eines Motordrehmoments bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffinjektionszeitpunkt bestimmt wird, indem: ein Basiskraftstoffinjektionszeitpunkt bestimmt wird; und der Basiskraftstoffinjektionszeitpunkt auf der Grundlage des AGR-Fehlers gefiltert wird.