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DE112007000998B4 - Luftdurchsatzschätzverfahren und -vorrichtung für einen Verbrennungsmotor - Google Patents

Luftdurchsatzschätzverfahren und -vorrichtung für einen Verbrennungsmotor Download PDF

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Abstract

Verfahren zur ungefilterten Ermittlung des Durchsatzes von Einlassluft in einem ungedrosselten Verbrennungsmotor, das umfasst, dass: ein Einlassluftdurchsatz unter Verwendung der folgenden Differentialgleichung modelliert wirdwobei xe ein geschätzter Luftdurchsatz ist, r ein gewünschter Luftdurchsatz ist, α und β Steuerungsparameter sind und τe die geschätzte Zeitkonstante eines Regelungssystems ist; wobei ein tatsächlicher Luftdurchsatz x und der gewünschte Luftdurchsatz r durch folgende Differentialgleichung zusammenhängen ẋ = –1τ x + 1τ r,wobei τ die Zeitkonstante des Regelungssystems ist; wobei ein Fehler e = x – xe zwischen dem tatsächlichen Luftdurchsatz und dem geschätzten Luftdurchsatz durch folgende Beziehung gegeben istund wobei die Steuerungsparameter α und β adaptiert werden, um den Fehler e zu minimieren.

Description

  • Diese Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur ungefilterten Ermittlung des Durchsatzes von Einlassluft in einem ungedrosselten Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 1 und Anspruch 3. Im Besonderen befasst sich die Erfindung mit dem genauen Schätzen eines Luftmassendurchsatzes zu dem Motor.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Der Verbrennungsprozess von Motoren mit homogener Kompressionszündung (HCCI) hängt stark von Faktoren, wie die Zusammensetzung, die Temperatur und der Druck der Zylinderfüllung beim Schließen des Einlassventils, ab. Somit müssen die Steuerungseingänge in den Motor, beispielsweise die Kraftstoffeinspritzmasse und -zeit und das Einlass-/Auslassventilprofil, sorgfältig aufeinander abgestimmt werden, um eine robuste Selbstzündungsverbrennung sicherzustellen. Im Allgemeinen arbeitet ein HCCI-Motor für die beste Kraftstoffwirtschaftlichkeit ungedrosselt mit einem mageren Luft-/Kraftstoffgemisch. Ferner wird in einem HCCI-Motor, der eine Abgasrückverdichtungsventilstrategie verwendet, die Temperatur der Zylinderfüllung gesteuert, indem unterschiedliche Mengen des heißen Restgases aus dem vorhergehenden Zyklus eingefangen werden, indem die Schließzeit des Auslassventils gegenüber dem Nennwert vorverstellt wird. Die Öffnungszeit des Einlassventils wird gegenüber dem Normalwert bis zu einer späteren Zeit bevorzugt symmetrisch zu der Schließzeit des Auslassventils um den oberen Totpunkt (OT) für den Einlass verzögert. Sowohl die Zusammensetzung als auch die Temperatur der Zylinderfüllung werden durch die Schließzeit des Auslassventils stark beeinflusst. Im Besonderen kann bei früherem Schließen des Auslassventils mehr heißes Restgas von dem vorhergehenden Zyklus zurückgehalten werden, was weniger Raum für die hereinkommende Frischluftmasse belässt. Die Nettoeffekte sind eine höhere Temperatur der Zylinderfüllung und eine niedrigere Zylindersauerstoffkonzentration. Die negative Ventilüberschneidung (NVO), die als die Kurbelwinkelperiode definiert ist, zu der beide Einlass- und Auslassventile gleichzeitig um den Einlass-OT herum geschlossen sind, ist eine Angabe für die eingefangenen Menge von heilen Restgasen.
  • Eine robuste HCCI-Verbrennung ist unter Verwendung eines variablen Ventilbetätigungssystems, wie etwa eines vollständig flexiblen Ventilbetätigungssystems (FFVA von fully flexible valve actuation) (z. B. elektrisch variable, hydraulisch variable oder elektrohydraulisch variable Ventile) oder ein vereinfachtes mechanisches Zweistufen-Ventilhubsystem mit einem Doppel-Nockenphasenstellersystem demonstriert worden. Im Besonderen kann eine optimale Verbrennungsphasenlage aufrechterhalten werden, indem beide Einlass- und Auslassventilprofile in Verbindung mit Motorsteuerungseingängen, wie etwa Einspritzmasse und -zeit, Zündzeit, Drosselklappen- und AGR-Ventilpositionen, eingestellt werden. Darüber hinaus ist die Steuerung des Luft-/Kraftstoffverhältnisses entscheidend, um eine robuste HCCI-Verbrennung, insbesondere bei transienten Zuständen, aufrechtzuerhalten.
  • Bei herkömmlichen fremdgezündeten Benzinmotoren wird der Luftdurchsatz durch die Drosselklappe gesteuert, und der Kraftstoff wird proportional zu dem unter Verwendung eines MAF-Sensors gemessenen Luftmassendurchsatz an dem Drosselklappenkörper dosiert. Der Rauschpegel (d. h. Hochfrequenzanteile) des MAF-Signals ist niedrig, solange der Einlasskrümmerabsolutdruck (MAP) weit unter dem Umgebungsdruck liegt (d. h. gedrosselter Motorbetrieb). Jedoch können während eines minimal gedrosselten Betriebes Rauschpegel aufgrund einer signifikanten Kopplung der Einlassdynamik der Zylinder mit dem Einlasskrümmer und MAF-Sensor beträchtlich sein. Während HCCI-Motorbetriebszuständen wird die Drosselklappe gewöhnlich weit offen gehalten, um Pumpverluste zu minimieren, und der Luftdurchsatz wird durch die Auslass- und Einlassventilprofile (d. h. Kombinationen aus Hub, Dauer und Phase) gesteuert. Daher werden Motoren, die in einem HCCI-Modus arbeiten, auch durch MAF-Signale beeinflusst, die beträchtlich verrauscht sein können. Ähnlich können in Dieselmotoren, die ohne Luftdrosselung arbeiten, MAF-Signale ähnlich beträchtlich verrauscht sein. Obwohl die Hochfrequenzanteile in dem MAF-Messwert unter Verwendung eines Tiefpassfilters reduziert werden können, erzeugt ein gefiltertes Signal eine unerwünschte Zeitverzögerung bei der MAF-Messung. Ein adaptierender Kraftstoffeinspritzbefehl unter Verwendung eines gefilterten, und somit zeitverzögerten, MAF-Messwertes kann signifikante Abweichungen des Luft-/Kraftstoffverhältnisses während transienter Betriebszustände des Motors hervorrufen, was zu unerwünschten Verbrennungsergebnissen führt, die beispielsweise Teilverbrennung, Fehlzündungen, übermäßige Emissionen, Verbrennungsphasenverschiebungen usw. umfassen.
  • Die WO 96/32579 A1 beschreibt ein Verfahren zur modellgestützten Ermittlung des Durchsatzes von Einlassluft unter Verwendung von Differentialgleichungen und in Abhängigkeit eines gewünschten und geschätzten Luftdurchsatzes. Ein Verfahren zur Bestimmung des Frischluftmassenstroms eines Verbrennungsmotors ist in der nachveröffentlichten DE 10 2004 049 737 A1 angegeben. Weiterer Stand der Technik ist aus der Veröffentlichung von Mrdjan Jankovic et al: ”Constructive Lyapunov Control Design for Turbocharged Diesel Engines”, IEEE Transactions an Control Systems Technology, Band 8, Nr. 2, März 2000, Seiten 288 bis 299 bekannt.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren bzw. eine verbesserte Vorrichtung zur ungefilterten Ermittlung des Durchsatzes von Einlassluft in einem Verbrennungsmotor anzugeben.
  • Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 3 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Es wird eine modellbasierte Schätz- und Steuerungsmethodik auf der Basis einer MAF-Messung entwickelt, um für robuste transiente Betriebszustände einen Luftmassendurchsatz genau zu schätzen, ohne eine Zeitverzögerung einzuführen.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Ausführungsformen der Erfindung können physikalische Form in bestimmten Teilen und einer bestimmten Anordnung von Teilen annehmen, wobei deren bevorzugte Ausführungsform ausführlich beschrieben und in den begleitenden Zeichnungen dargestellt ist, die einen Teil hiervon bilden und in denen:
  • 1 einen HCCI-Motor und ein Steuerungssystem schematisch veranschaulicht;
  • 2 eine gemessene Luftdurchsatzantwort auf ein Signal des gewünschten Luftmassendurchsatzes veranschaulicht;
  • 3 einen gemessenen, gefilterten und modellierten Luftmassendurchsatz gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht; und
  • 4A–4D verschiedene Datengraphen veranschaulichen, die einem HCCI-Motor, der gemäß der vorliegenden Erfindung betrieben wird, entsprechen.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
  • Die vorliegende Erfindung wird nun mit Bezug auf einen HCCI-Motor beschrieben. Jedoch ist die Erfindung vollständig auf andere Motortypen anwendbar, die herkömmliche, gedrosselte, fremdgezündete Motoren, Motoren mit Dieselzyklus oder irgendeine Abart von Motoren, die einen gemessenen Luftmassendurchsatz anwenden, einschließen.
  • Nun unter Bezugnahme auf 1 ist ein Blockdiagramm veranschaulicht, das einen Motor 12, der in der Lage ist, mit homogener Kompressionszündung (HCCI) zu arbeiten, und ein Verbrennungssteuerungssystem 14 und ein Verfahren zum Steuern der Verbrennung in dem Motor zeigt.
  • Der Motor 12 kann verschiedene Merkmale oder Einrichtungen aufweisen, umfassend die Leistung erzeugenden Brennkammern 13, die mit einem Einlassluftsystem 17 und einem Auslasssystem 19 verbunden sind, Einlass- und Auslassventile 21, 23 mit irgendeiner Form von variablem Ventilbetätigungssystem 15, das dazu dient, den Einlassdurchsatz zu und den Abgasdurchsatz von der Brennkammer zu steuern, ein externes Abgasrückführsystem 25, das ein AGR-Ventil 27 besitzt, das zwischen die Einlass- und Auslasssysteme geschaltet ist, und Kraftstoffeinspritz- und Funkenzündungssysteme (die nicht separat veranschaulicht sind), um den Brennkammern Kraftstoff zuzuführen und dort brennbare Gemische zu zünden oder deren Zündung zu unterstützen.
  • Der Motor 12 ist konstruiert, um mit Kraftstoff, eingespritztem Benzin oder ähnliche Mischungen, urgedrosselt mit HCCI-Verbrennung über einen ausgedehnten Bereich von Motordrehzahlen und -lasten zu arbeiten, was, wenn möglich, ein Starten des Motors umfassen kann. Jedoch kann ein Funkenzündungsbetrieb und ein durch eine Drosselklappe gesteuerter Betrieb mit herkömmlichen oder abgewandelten Steuerungsverfahren unter Bedingungen benutzt werden, die sich nicht für einen HCCI-Betrieb eignen, und um eine maximale Motorleistung zu erhalten. Anwendbare Kraftstoffbeaufschlagungsstrategien können direkte Zylindereinspritzung, Schlitzkraftstoffeinspritzung oder Drosselklappenkörper-Kraftstoffeinspritzung umfassen. Weitläufig verfügbare Qualitäten von Benzin und leichten Ethanolmischungen davon sind bevorzugte Kraftstoffe; jedoch können alternative flüssige und gasförmige Kraftstoffe, wie etwa höhere Ethanolmischungen (z. B. E80, E85), reines Ethanol (E99), reines Ethanol (M 100); Erdgas, Wasserstoff, Biogas, verschiedene Reformate, Syngase usw., bei der Implementierung der vorliegenden Erfindung ebenfalls verwendet werden.
  • Das beschriebene Steuerungssystem 14 und Steuerungsverfahren sind von besonderem Vorteil für einen ungedrosselten Betrieb des Motors, wobei beispielsweise durch eine Signalfilterung eingeführte Zeitverzögerungen eines MAF-Signals unerwünscht sind. Das Verbrennungssteuerungssystem 14 umfasst einen oder mehrere Computer oder Controller, die ausgebildet sind, um wiederholte Reihen von Schritten oder Funktionen in einem Verfahren einer erfindungsgemäßen Verbrennungssteuerung auszuführen. Die Hauptcontroller umfassen einen Optimalwert- oder Vorwärtskopplungs-Controller und einen Regelungs- oder Rückkopplungs-Controller.
  • Bei der vorliegenden Anwendung der Erfindung wird angenommen, dass ein HCCI-Motor mit einer Abgasrückverdichtungsstrategie mit einem von einem elektrohydraulischen, hydraulischen oder elektrischen Nockenphasensteller arbeitet, und dass ein Luftmassendurchsatz-(MAF)-Messwert mit einem MAF-Sensor verfügbar ist. Die vorliegende Erfindung umfasst eine Luftdurchsatzsteuerung unter Verwendung einer NVO über ein variables Ventilbetätigungssystem, und ein adaptives Luftdurchsatzmodell auf der Basis des MAF-Messwertes. Die Gesamtsteuerungsstruktur ist durch ein Steuerungssystem 14 von 1 repräsentiert gezeigt.
  • Der Luftdurchsatz zu dem Motor wird von einem MAF-Sensor 30 gemessen, der an dem Drosselklappenkörper angeordnet ist, und ein Rückkopplungs-Controller 61 stellt die NVO auf der Basis des MAF-Messwerts ein, um den gewünschten Luftdurchsatz zu erreichen. Der Rückkopplungs-Controller ist derart entworfen, dass die Antwort des tatsächlichen (Ist-)Luftdurchsatzes auf den gewünschten (Soll-)Luftdurchsatz durch eine Dynamik niedriger Ordnung (z. B. erster oder zweiter Ordnung) angenähert werden kann. Anschließend kann eine Regelungsantwort des Luftdurchsatzes unter Verwendung einer Differentialgleichung niedriger Ordnung modelliert werden.
  • Ein Beispiel ist in 2 gezeigt, wenn der Rückkopplungs-Controller 61 derart konstruiert ist, dass die Regelungsdynamik des Luftdurchsatzes durch eine Differentialgleichung 1. Ordnung angenähert werden kann, wie folgt: ẋ = – 1 / τx + 1 / τx (1) wobei x der Luftdurchsatz ist, der von einem Sensor gemessen wird, r der gewünschte Luftdurchsatz ist, und τ die Zeitkonstante des Regelungssystems ist. Um den Luftdurchsatz in den Motor zu schätzen, wird ein adaptives Luftdurchsatzmodell 1. Ordnung 63 wie folgt eingeführt:
    Figure 00080001
    wobei xe der geschätzte Luftdurchsatz ist, τe die geschätzte Zeitkonstante des Regelungssystems ist, α und β Steuerungsparameter sind, die von einem adaptiven Controller angewandt werden, so dass die Differenz zwischen der Antwort des Modells und der des tatsächlichen Luftdurchsatzes minimiert ist. Wegen des Verhaltens erster Ordnung des Luftdurchsatzes, der gesteuert wird, ist der Fehler zwischen dem tatsächlichen und dem geschätzten Modellluftdurchsatz durch die folgende Beziehung gegeben, die zum Teil auf einem Term für den gewünschten Luftdurchsatz beruht:
    Figure 00090001
    wobei e = xe – x. Adaptionsgesetze für α und β können unter Verwendung von beispielsweise einer Lyapunov-Funktion wie folgt abgeleitet werden:
    Figure 00090002
  • Schließlich kann gezeigt werden, dass das folgende Adaptionsgesetz v . = 1 / τe2 ≤ 0 garantiert, und dass e → 0, wenn t → ∞ , während α und begrenzt sind:
    Figure 00090003
  • 3 zeigt einen MAF-Sensorausgang von einem Mehrzylinder-HCCI-Motor, der bei konstanter Motordrehzahl von 2000 U/min mit 95 kPa MAP betrieben wird. Zusätzlich sind in der Figur sowohl, gefilterte als auch adaptive, über ein Modell geschätzte Signale vorhanden.
  • Es ist aus 3 ersichtlich, dass ein MAF-Sensorsignal (gemessen) Hochfrequenzanteile enthält, die eine starke Filterung erfordern, um sie zu glätten. Eine Filterung (gestrichelte Linie) führt jedoch eine Zeitverzögerung von etwa 1 s ein. Das geschätzte MAF-Signal von dem adaptiven Modell (durchgezogene Linie) zeigt eine vernachlässigbare Zeitverzögerung. Mit dem geschätzten Luftdurchsatz aus dem adaptiven Modell kann das gewünschte Luft-/Kraftstoffverhältnis mit einem korrekten Kraftstoffeinspritzbefehl gesteuert werden.
  • Ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform ist mit einem Mehrzylinder-HCCI-Motor getestet worden, und das Ergebnis ist in den 4A–4D gezeigt. Die Kraftstoffbeaufschlagungsrate wurde auf der Basis des gewünschten Luft-/Kraftstoffverhältnisses und des unter Verwendung der vorliegenden Erfindung geschätzten Luftdurchsatzes geplant. Der Motor wurde mit 95 kPa MAP mit einer Abgasrückverdichtungsventilstrategie bei konstanter Motordrehzahl von 2000 U/min (RPM) betrieben. Der gewünschte MAF wurde von 6,5 auf 8,5 g/s mit grob 2 g/s2 Änderungsrate verändert. Das gewünschte Luft-/Kraftstoffverhältnis wurde als Konstante auf 6:1 festgelegt und die Kraftstoffbeaufschlagungsrate wurde mit dem geschätzten Luftdurchsatz aus dem adaptiven Modell und dem gewünschten Luft-/Kraftstoffverhältnis ermittelt. 4C zeigt, dass der Luft-/Kraftstoffverhältnisausschlag von Spitze zu Spitze während Lastübergängen unter 1 betrug. Die Verbrennungsphasenlage, die als die Kurbelwinkelposition von 50% verbranntem Kraftstoff (CA50) definiert ist, ist in der Figur ebenfalls gezeigt. 4D veranschaulicht eine zufrieden stellende Steuerung der Verbrennungsphasenlage während transienter Zustande mit der vorliegenden Erfindung.

Claims (7)

  1. Verfahren zur ungefilterten Ermittlung des Durchsatzes von Einlassluft in einem ungedrosselten Verbrennungsmotor, das umfasst, dass: ein Einlassluftdurchsatz unter Verwendung der folgenden Differentialgleichung modelliert wird
    Figure 00110001
    wobei xe ein geschätzter Luftdurchsatz ist, r ein gewünschter Luftdurchsatz ist, α und β Steuerungsparameter sind und τe die geschätzte Zeitkonstante eines Regelungssystems ist; wobei ein tatsächlicher Luftdurchsatz x und der gewünschte Luftdurchsatz r durch folgende Differentialgleichung zusammenhängen ẋ = – 1 / τx + 1 / τr, wobei τ die Zeitkonstante des Regelungssystems ist; wobei ein Fehler e = x – xe zwischen dem tatsächlichen Luftdurchsatz und dem geschätzten Luftdurchsatz durch folgende Beziehung gegeben ist
    Figure 00110002
    und wobei die Steuerungsparameter α und β adaptiert werden, um den Fehler e zu minimieren.
  2. Verfahren zur ungefilterten Einlassluftdurchsatzermittlung in einem ungedrosselten Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei die Adaption der Steuerungsparameter α und β auf einer Lyapunov-Funktion beruht.
  3. Vorrichtung zur ungefilterten Ermittlung des Durchsatzes von Einlassluft in einem Verbrennungsmotor, umfassend: ein Luftdurchsatzsteuerungsmittel zum Steuern eines Luftdurchsatzes zu Motorbrennkammern ohne irgendeine wesentliche Luftdurchsatzdrosselung; einen Luftdurchsatzsensor, der einen im Wesentlichen ungedrosselten Luftdurchsatz misst; einen Controller für eine Luftdurchsatzregelung zum Steuern des Luftdurchsatzsteuerungsmittels auf der Basis eines gewünschten Luftdurchsatzes r und des von dem Luftdurchsatzsensor gemessenen Luftdurchsatzes x, wobei der gemessene Luftdurchsatz x mit dem gewünschten Luftdurchsatz r über folgende Gleichung zusammenhängt ẋ = – 1 / τx + 1 / τr, wobei τ die Zeitkonstante eines Regelungssystems ist; einen adaptiven Luftdurchsatzschätzer zum Bereitstellen einer im Wesentlichen unverzögerten Schätzung eines Luftdurchsatzes xe auf der Basis des gewünschten Luftdurchsatzes r und von Steuerungsparametern α und β; wobei der geschätzte Luftdurchsatz xe und der gewünschte Luftdurchsatz r über folgende Gleichung zusammenhängen
    Figure 00120001
    wobei τe die geschätzte Zeitkonstante des Regelungssystems ist; wobei ein Fehler e = x – xe zwischen dem tatsächlichen Luftdurchsatz und dem geschätzten Luftdurchsatz durch folgende Beziehung gegeben ist
    Figure 00130001
    und wobei die Steuerungsparameter α und β angepasst sind, um den Fehler e zu minimieren.
  4. Vorrichtung zur ungefilterten Einlassluftdurchsatzermittlung in einem Verbrennungsmotor nach Anspruch 3, wobei das Luftdurchsatzsteuerungsmittel ein variables Ventilbetätigungssystem umfasst.
  5. Vorrichtung zur ungefilterten Einlassluftdurchsatzermittlung in einem Verbrennungsmotor nach Anspruch 4, wobei das variable Ventilbetätigungssystem eine vollständig flexible Ventilbetätigung umfasst.
  6. Vorrichtung zur ungefilterten Einlassluftdurchsatzermittlung in einem Verbrennungsmotor nach Anspruch 4, wobei das variable Ventilbetätigungssystem eine Nockenphasenverstellung umfasst.
  7. Vorrichtung zur ungefilterten Einlassluftdurchsatzermittlung in einem Verbrennungsmotor nach Anspruch 4, wobei das variable Ventilbetätigungssystem einen Mehrstufen-Ventilhub umfasst.
DE112007000998T 2006-04-24 2007-04-24 Luftdurchsatzschätzverfahren und -vorrichtung für einen Verbrennungsmotor Expired - Fee Related DE112007000998B4 (de)

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