DE112007001865T5

DE112007001865T5 - Verfahren und Vorrichtung zum Schätzen des Abgasdrucks einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE112007001865T5
Application number: DE112007001865T
Authority: DE
Inventors: Anupam Troy Gangopadhyay; Yue-Yun Troy Wang
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-08-22
Filing date: 2007-07-26
Publication date: 2009-06-18
Also published as: CN101506507B; WO2008024590A3; WO2008024590A2; US20080051973A1; CN101506507A; US7438061B2

Abstract

Verfahren zum Schätzen eines Abgasdrucks einer Brennkraftmaschine, die mit einer Einlassluft-Kompressionsvorrichtung ausgerüstet ist, das umfasst:
Bestimmen von Parametern für den Abgasstrom und die Öffnung der Einlassluft-Kompressionsvorrichtung;
Bestimmen eines Abgasdruckverhältnisses auf der Grundlage des Abgasstroms und der Öffnung der Einlassluft-Kompressionsvorrichtung; und
Bestimmen des Abgasdrucks auf der Grundlage des Abgasdruckverhältnisses.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen Brennkraftmaschinen und insbesondere das Schätzen ihres Abgasdrucks.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Moderne Brennkraftmaschinen sind mit hoch entwickelten Systemen zum Überwachen und Steuern verschiedener Aspekte des Maschinenbetriebsverhaltens während des fortlaufenden Betriebs ausgerüstet, um Bedieneranforderungen nach Leistung einschließlich Drehmoment und Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu erfüllen und um gesetzliche Bestimmungen bezüglich Emissionen, Sicherheit und Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu erfüllen. Solche Systeme umfassen Erfassungsvorrichtungen und Aktoren, die mit einem oder mit mehreren Steuermodulen verbunden sind, die Computerprogramme ausführen, um den Maschinenbetrieb während des fortlaufenden Betriebs zu überwachen und zu steuern.
Der Abgasdruck ist ein wichtiger Parameter, der von Maschinensystem-Entwurfsingenieuren genutzt wird. Zur Veranschaulichung eines Bedarfs an einer genauen Bestimmung des Abgasdrucks seien Emissionsanforderungen erwähnt, die zu der Implementierung von Abgasrückführungssystemen (AGR-Systemen), die mit Nachbehandlungssystemen kombiniert sind, um Maschinenemissionen zu verringern, geführt haben. Die Steuerung der Abgasrückführung erfordert eine genaue Bestimmung des AGR- Massenstroms. Derartige Verfahren umfassen das Berechnen des AGR-Stroms aus einer Gasstromgleichung durch eine Blende und das Bestimmen einer Differenz zwischen dem Ladeluft-Massenstrom und dem Frischluft-Massenstrom. Beide Berechnungen verwenden als eine der Eingangsvariablen den Maschinenabgasdruck. Einige Maschinenhersteller haben einen Abgasdrucksensor implementiert, um den Abgasdruck zu bestimmen.
Es besteht ein Bedarf an einer Schätzung des Abgasdrucks für eine Brennkraftmaschine, um den Abgasdruck genau zu bestimmen, ohne zusätzliche Kosten zu erzeugen, die mit weiteren Erfassungsvorrichtungen einhergehen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schätzen des Abgasdrucks während des fortlaufenden Betriebs einer Brennkraftmaschine, z. B. einer Maschine, die mit einer Einlassluft-Kompressionsvorrichtung mit variabler Geometrie und mit einem Steuermodul ausgerüstet ist, geschaffen. Das Steuermodul ist dazu ausgelegt, Erfassungsvorrichtungen der Brennkraftmaschine zu überwachen, und dazu ausgelegt, darin enthaltene Algorithmen auszuführen, um den Abgasdruck zu schätzen. Das Verfahren umfasst das Überwachen von Signaleingängen von den Erfassungsvorrichtungen und das Bestimmen von Betriebsparametern für den Abgasstrom und für die Öffnung der Einlassluft-Kompressionsvorrichtung. Ein Abgasdruckverhältnis wird anhand der Parameter für den Abgasstrom und für die Öffnung der Einlassluft-Kompressionsvorrichtung bestimmt und der Abgasdruck wird anhand des Abgasdruckverhältnisses bestimmt.
Ein Aspekt der Erfindung umfasst das Bestimmen des Abgasdruckverhältnisses anhand mehrerer wahlweise wiedergewinnbarer vorgegebener Parameter für das Abgasdruckverhältnis, die in einem Tabellenformat gespeichert sind oder alternativ durch Ausführen einer Polynomgleichung bestimmt werden.
Diese und andere Aspekte der Erfindung werden dem Fachmann auf dem Gebiet deutlich, wenn er die folgende genaue Beschreibung der Ausführungsformen liest und versteht.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung kann in bestimmten Teilen und in der Anordnung von Teilen eine physikalische Form annehmen, wovon eine Ausführungsform im Einzelnen beschrieben und durch die beigefügten Zeichnungen, die einen Teil hiervon bilden, veranschaulicht wird, wobei in den Zeichnungen:
1 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Maschinensystems gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
2 und 3 graphische Darstellungen von Daten gemäß der vorliegenden Erfindung sind;
4 eine graphische Darstellung eines algorithmischen Ablaufplans gemäß der vorliegenden Erfindung ist; und
5–10 graphische Darstellungen von Daten gemäß der vorliegenden Erfindung sind.
GENAUE BESCHREIBUNG EINER AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
In den Zeichnungen, die nur der Veranschaulichung der Erfindung dienen und nicht den Zweck haben, diese zu beschränken, zeigt 1 eine Maschine 10 und ein Maschinensteuermodul (ECM) 5, das in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung konstruiert worden ist. Die beispielhafte Maschine 10 umfasst eine herkömmliche Mehrzylinder-Brennkraftmaschine, die mechanisch so ausgebildet ist, dass sie in einer Kompressionszündungs-Konfiguration arbeitet, obwohl diese Erfindung nicht auf Konfigurationen einer Kompressionszündungsmaschine eingeschränkt sein soll. Maschinensystem-Komponenten umfassen eine Einlassluft-Kompressionsvorrichtung 40, die eine Turbinenvorrichtung mit variabler Geometrie (VGT) und einen Luftkompressor (KOMPRESSOR) enthält, einen Ladeluftkühler 42, ein Abgasrückführungsventil (AGR-Ventil) 32 und einen Kühler 52, einen Einlasskrümmer 50 und einen Abgaskrümmer 60 sowie ein Abgasnachbehandlungssystem 70, das z. B. einen Oxidationskatalysator und einen Dieselpartikelfilter umfasst. An der Maschine sind Erfassungsvorrichtungen installiert, um physikalische Charakteristiken zu überwachen und um Signale zu erzeugen, die mit Maschinen- und Umgebungsparametern in Korrelation gesetzt werden können. Die Erfassungsvorrichtungen umfassen vorzugsweise einen Umgebungsluftdruck-Sensor 12, einen Umgebungsluft- oder Einlassluft-Temperatursensor 14 und einen Luftmassenstrom-Sensor 16, die sämtlich einzeln oder als eine einzige integrierte Vorrichtung konfiguriert sein können; einen Einlasskrümmerluft-Temperatursensor 18 und einen Einlasskrümmerdruck-Sensor 20. Es sind ein Abgastemperatursensor 24, ein VGT-Stellungs-Sensor 28 und ein AGR-Ventilstellungs-Sensor 30 vorhanden. Ein Maschinendrehzahlsensor 22 überwacht die Drehzahl der Maschine. Ein Drucksensor 26 überwacht einen Druckabfall über dem Ab gasnachbehandlungssystem 70, der vorzugsweise das Überwachen des von der VGT der Einlassluft-Kompressionsvorrichtung 40 in das Abgassystem abgegebenen Drucks umfasst. Jede der Erfassungsvorrichtungen ist signaltechnisch mit dem ECM 5 verbunden, um Signalinformationen bereitzustellen, die durch das ECM in Informationen transformiert werden, die für den jeweils überwachten Parameter repräsentativ sind. Selbstverständlich ist diese Konfiguration nur veranschaulichend und nicht beschränkend, wobei die verschiedenen Erfassungsvorrichtungen durch funktional äquivalente Vorrichtungen und Algorithmen ersetzt werden können und dennoch in den Umfang der Erfindung fallen. Ferner kann die Einlassluft-Kompressionsvorrichtung 40 innerhalb des Umfangs der Erfindung Turbolader- und Aufladevorrichtungen umfassen.
Die Sensoren dienen zur Bereitstellung von Parameterinformationen, die hier folgendermaßen dargestellt werden:

M ._a: Frischluftmassenstrom-Sensor 16
T_im: Einlasskrümmer-Temperatursensor 18
P_im: Einlasskrümmer-Drucksensor 20
T_am: Umgebungstemperatursensor 14
P_am: Umgebungsdrucksensor 12
T_ex: Abgastemperatursensor 24
VGTp: VGT-Stellungs-Sensor 28
EGVp: AGR-Ventilstellungs-Sensor 30
RPM: Maschinendrehzahlsensor 22 und
ΔP: Abgasnachbehandlungs-Druckdifferenz-Sensor 26.

Das ECM 5 ist ein Element eines gesamten Fahrzeugsteuersystems, das vorzugsweise eine verteilte Steuermodularchitektur aufweist, die zur Be reitstellung einer koordinierten Systemsteuerung dient. Das ECM ist betreibbar, um relevante Informationen und Eingänge von den oben erwähnten Erfassungsvorrichtungen zusammenzuführen und um Algorithmen auszuführen, um verschiedene Aktoren zu steuern, um Steuerungsziele zu erreichen, die Parameter wie etwa Kraftstoffwirtschaftlichkeit, Emissionen, Leistungsverhalten, Antriebsverhalten und Schutz von Hardware umfassen, wie im Folgenden beschrieben wird. Das ECM 5 ist vorzugsweise ein digitaler Universalcomputer, der im Allgemeinen einen Mikroprozessor oder eine Zentraleinheit, Speichermedien einschließlich Festwertspeicher (ROM), Schreib-Lese-Speicher (RAM), elektrisch programmierbarer Festwertspeicher (EPROM), einen Hochgeschwindigkeitstaktgeber, Analog/Digital-Schaltungsanordnungen (A/D-Schaltungsanordnungen) und Digital/Analog-Schaltungsanordnungen (D/A-Schaltungsanordnungen) sowie Eingabe/Ausgabe-Schaltungsanordnungen und -Vorrichtungen (E/A-Vorrichtungen) und eine geeignete Signalkonditionierungs- und Signalpuffer-Schaltungsanordnung umfasst. Eine Menge von Steueralgorithmen einschließlich residenter Programmbefehle und Kalibrierungen ist im ROM gespeichert, die ausgeführt werden, um die jeweiligen Funktionen jedes Computers zu schaffen. Algorithmen werden typischerweise in im Voraus festgelegten Schleifenzyklen ausgeführt, derart, dass jeder Algorithmus wenigstens einmal in jedem Schleifenzyklus ausgeführt wird. Algorithmen, die in den nichtflüchtigen Speichervorrichtungen gespeichert sind, werden von einer der Zentraleinheiten ausgeführt und sind betreibbar, um Eingänge von den Erfassungsvorrichtungen zu überwachen und um Steuerungs- und Diagnoseroutinen auszuführen, um die Operation der jeweiligen Vorrichtung unter Verwendung vorgegebener Kalibrierungen zu steuern. Schleifenzyklen werden typischerweise in regelmäßigen Intervallen, beispielsweise nach jeweils 3,125 ms, 6,25 ms, 12,5 ms, 25 ms und 100 ms während des fortlaufenden Maschinen- und Fahr zeugbetriebs ausgeführt. Alternativ können Algorithmen in Reaktion auf das Auftreten eines Ereignisses ausgeführt werden.
Die Erfindung umfasst ein Verfahren, das vorzugsweise als ein oder mehrere Algorithmen in dem ECM 5 ausgeführt wird und bewirkt, dass der Druck im Abgassystem einer Maschine, z. B. in der beispielhaften Maschine 10, die hier gezeigt und beschrieben wird, geschätzt wird. Das Verfahren umfasst das Überwachen von Signaleingängen von den Erfassungsvorrichtungen. Parameter für einen korrigierten Abgasstrom, einen Druck an einem Turbinenauslass der Einlassluft-Kompressionsvorrichtung 40, P_st, (auch als Stapeldruck (stack pressure) bezeichnet) und eine Drehzahl N_t der Einlassluft-Kompressionsvorrichtung 40 werden bestimmt. Ein Abgasdruckverhältnis wird auf der Grundlage der Parameter bestimmt, die den korrigierten Abgasstrom, den Turbinenauslassdruck der Einlassluft-Kompressionsvorrichtung, die VGT-Stellung und die Drehzahl der Einlassluft-Kompressionsvorrichtung umfassen. Das Abgasdruckverhältnis wird vorzugsweise aus einer Kalibrierungstabelle bestimmt, die in Tabellenform in einer Speichervorrichtung im ECM 5 gespeichert ist und eine Matrix vorgegebener Druckverhältnisse enthält. Alternativ wird das Abgasdruckverhältnis durch Ausführen einer Polynomgleichung bestimmt, die von dem ECM 5 ausführbar ist. Der Abgasdruck wird auf der Grundlage des Abgasdruckverhältnisses in Verbindung mit einem überwachten Druckparameter bestimmt, der vorzugsweise ein als Abgasdruck P_st der Einlassluft-Kompressionsvorrichtung 40 bestimmter Druck ist. Dies wird im Folgenden im Einzelnen beschrieben.
Eine beispielhafte Ausführungsform, die den Abgasdruck verwendet, umfasst das Steuern und das Management der Abgasrückführung. Das Maschinenabgas wird von dem Abgaskrümmer 60 zum Einlasskrümmer 50 durch Steuern entweder des AGR-Durchsatzmenge oder der Sauerstoff konzentration in der Einlassladung rückgeführt. Beide Steuerungen erfordern eine genaue Schätzung des AGR-Massenstroms für eine geschlossene Rückkopplungsschleife. Der Stand der Technik lehrt zwei übliche Lösungswege, um den AGR-Massenstrom zu schätzen: Ein Lösungsweg verwendet eine Gasstromgleichung durch eine Blende, der andere schätzt den AGR-Strom als Differenz zwischen dem Ladeluft-Massenstrom und dem Frischluft-Massenstrom, wie im Folgenden in den Gleichungen 1.1 und 1.2 gezeigt ist:
wobei in Gleichung 1.1 R die Konstante für ein ideales Gas umfasst; C einen Ausstoßkoeffizienten umfasst; und A eine betroffene Fläche des AGR-Ventils, die durch die AGR-Kühlerwirkung korrigiert ist, umfasst. In Gleichung 1.2 umfassen D einen Maschinenhubraum; und η_ν einen volumetrischen Wirkungsgrad der Maschine, der ebenfalls auf dem Maschinenabgasdruck P_ex basiert. Sowohl bei Bezugnahme auf Gleichung 1.1 als auch auf Gleichung 1.2, die oben angegeben sind, hängt die Bestimmung einer genauen Messung des AGR-Stroms von einer genauen Bestimmung des Abgasdrucks ab.
Das Verfahren zum genauen Bestimmen des Abgasdrucks wird nun beschrieben und umfasst eine Schätzung des Abgasdrucks auf der Grundlage überwachter Betriebsbedingungen und vorgegebener Kalibrierungen bei Anwendung auf physikalische Gesetze. Unter Verwendung des ersten und des zweiten Satzes der Thermodynamik kann ein Kennfeld, das die Leistung einer Turbine mit fester Geometrie beschreibt, auf eine Gleichung reduziert werden, die auf vier dimensionslosen Gruppen basiert, wie in der folgenden Gleichung 2 gezeigt ist:
wobei:
P_st einen Turbinenausgangsdruck umfasst, η_T einen Turbinenwirkungsgrad umfasst, M_ex einen Abgas-Luftmassenstrom umfasst, der seinerseits die Summe aus einem Frischluft-Massenstrom und einem Kraftstoff-Massenstrom umfasst; und N_t die Drehzahl der Einlassluft-Kompressionsvorrichtung umfasst.
Jede Turbinenschaufelstellung Vp ist definiert durch Vp = VGTp, d. h. als Ausgang des VGT-Stellungs-Sensors 28. Daher ist in Gleichung 2 für Turbinen mit fester Geometrie eine eindeutig definierte Beziehung vorhanden. Bei einer Turbine mit variabler Geometrie wie oben beschrieben wird eine neue Gleichung ähnlich zu Gleichung 2 entwickelt, die ein Kennfeld enthält, das die Leistung der Turbine mit variabler Geometrie beschreibt, wie in Gleichung 3 angegeben:
In 2 ist ein Turbinenkennfeld veranschaulicht, in dem Datenpunkte auf der Grundlage von Gleichung 3 für die beispielhafte Einlassluft-Kompressionsvorrichtung in einem System graphisch dargestellt sind. In 2 repräsentiert die x-Achse den korrigierten Turbinen-Massenstrom
während die y-Achse das Turbinendruckverhältnis
repräsentiert. Die fünf gezeigten Kurven umfassen Daten für VGT-Stellungen, die in geöffnete Stellungen von 25%, 50%, 62%, 75% und 100% gesteuert sind. Die gleichen Abschnitte in all diesen Kurven, die mit 90, 91, 92, 93, 94, 95 und 96 bezeichnet sind, repräsentieren jeweils verschiedene, konstante Drehzahlen der Turbine, die in Tabelle 1 definiert sind: Tabelle 1

Linienkonstanter Turbinendrehzahl

Liniennummer 90 91 92 93 94 95 96

Drehzahl (min^–1/√R) 24900 32400 39900 47400 54900 62400 66900
Die Drehzahl ist durch die Abgastemperatur T_ex in Rankin-Einheiten (R) normiert, wie in Tabelle 1 gezeigt ist. In Gleichung 3 sind M ._ex, N_t, T_ex, P_st und V_p bekannte Parameter, die typischerweise aus Parametern berechnet werden, die durch physikalische Sensoren gemessen werden, wie oben beschrieben worden ist.
Die Lösung von Gleichung 3 in Echtzeit, d. h. während des fortlaufenden Maschinenbetriebs, wird vorzugsweise durch Entwickeln eines transformierten Turbinenkennfeldes, das dadurch ausgezeichnet ist, dass es ein transformiertes Koordinatensystem hat, erzielt. Das transformierte Koordinatensystem umfasst das Definieren einer anderen Koordinate für den korrigierten Abgasmassenstrom, wie durch die folgende Gleichung 4 angegeben ist:
wobei der Abgasstrom durch den Turbinenauslassdruck P_st statt durch den Turbineneinlassdruck korrigiert ist. Somit kann Gleichung (3) zu der folgenden Gleichung (5) umgeschrieben werden:
wobei:
Die Lösung von Gleichung (5) liefert eine eindeutige Eins-zu-Eins-Abbildung, weshalb y eine eindeutige Lösung auf der Basis von x₁, x₂, x₃ hat, die ein neues Turbinenkennfeld durch eine Koordinatentransformation wie in Gleichung 6 gezeigt definiert, wie mit Bezug auf 3 dargestellt ist: y = Pr = g(x1, x2, x3) (6)
Die in 2 und in 3 dargestellten Turbinenkennfelder zeigen jeweils, dass die Wirkung der Turbinendrehzahl (x₃) im Wesentlichen vernachlässigbar ist. Das überarbeitete Turbinenkennfeld erscheint als eine dreidimensionale lineare Fläche auf der Basis von x₁, x₂. Daher wird der Abgasdruck wie in Gleichung 7 gezeigt geschätzt:
Der Abgasmassenstrom kann durch die folgende Gleichung 8 berechnet werden: M .ex = M .a + ρ × Fc × RPM × α (8)wobei M ._a der Frischluft-Massenstrom ist, der vom Sensor 16 ausgegeben wird, ρ die Kraftstoffdichte umfasst; F_c den als Volumen in mm³/Hub gemessenen Kraftstoffzufuhrbefehl umfasst und α eine Konstante ist, die mit der Anzahl von Zylindern pro Kurbelumdrehung in Beziehung steht.
Wenn die Wirkung der Turbinendrehzahl N_t berücksichtigt werden muss, um eine Schätzung mit höherer Auflösung zu erzeugen, kann ein Kompressorkennfeld verwendet werden, um die Turbinendrehzahl zu schätzen, wie in Gleichung 9 gezeigt ist:
Der Turbinenauslassdruck, d. h. der Stapeldruck P_st, kann aus einem Umgebungsdrucksensor und einem Druckdifferenzsensor des Abgasnachbehandlungssystems berechnet werden, wie in Gleichung (10) gezeigt ist: Pst = Pam + ΔP (10)
Nun wird auf die 4–10 Bezug genommen, mit deren Hilfe nun die Implementierung und die Kalibrierung der Erfindung in einem System beschrieben wird. In 4 wird ein Algorithmus für die Implementierung in dem ECM 5 für eine Echtzeitausführung entwickelt, um den Abgasdruck P_ex zu bestimmen. Die parametrischen Eingänge in den Algorithmus umfassen: Auslassdruck der Turbine oder Stapeldruck P_st; Luftmassenstrom M ._a; Kraftstoffstrom FUEL; Maschinendrehzahl RPM; prozentuale Öffnungsstellung der VGT, d. h. VGT_p; Maschinenabgastemperatur T_ex; und Turbinendrehzahl N_t. Eine Kennfeldkonstante für die Turbine (turbo map const) wird während der Kalibrierung des Systems vorgegeben. Aus diesen Parametern werden parametrische Werte für den korrigierten Abgasstrom und die korrigierte Turbinendrehzahl bestimmt, die in Verbindung mit einem vorgegebenen Kennfeld der Turbine verwendet werden, um ein Druckverhältnis P_r wie in 6 gezeigt und eine Änderung des Druckverhältnisses zu bestimmen. Das Druckverhältnis P_r wird mit dem Stapeldruck P_st multipliziert, um den Abgasdruck P_ex zu bestimmen.
Um den Algorithmus im ECM 5 zu implementieren, ist es notwendig, die Kalibrierung der bestimmten Einlassluft-Kompressionsvorrichtung 40, die in dem System verwendet wird, zu verstehen und zu berücksichtigen, einschließlich Sachverhalten, die mit der Normierung von Betriebsparametern, die den Umgebungsdruck und die Betriebstemperatur des Abgases umfassen, in Beziehung stehen. Die Kennfeldkonstante für die Turbine 40 (turbo map const), für die ein Wert von 1,313433 angegeben ist, wird für eine Korrektur einer Turbinenkalibrierung, die bei einer Umgebungstemperatur von 68 F (22°C) und einem Umgebungsdruck von 29,92 Zoll Hg, d. h. auf Meereshöhe, vorgenommen wurde, bereitgestellt.
Ferner kann die VGT-Stellung entweder als prozentualer Öffnungsgrad oder als prozentualer Schließgrad definiert sein. Vorzugsweise wird ein korrigierter Abgas-Massenstrom auf der Grundlage der prozentualen Schließung bereitgestellt, weil Turbinendruckverhältnisse mit zunehmender prozentualer Schließung zunehmen, wodurch ein Maß der VGT-Stellung geschaffen wird, das zu der Druckverhältniszunahme proportional ist. Wie in 4 gezeigt ist, ist die prozentuale Schließung von VGT (VGTp) in Vp übersetzt, was als Kehrwert der prozentualen geöffneten Stellung der VGT definiert ist, wie in Gleichung 11 gezeigt ist:
Der Faktor Vp ist zu der Definition der geschlossenen Stellung äquivalent, es hat sich jedoch gezeigt, dass er die Schätzgenauigkeit wesentlich verbessert. Wenn der Luftmassenstrom-Sensor 16 am Einlass des Kompressorabschnitts (KOMPRESSOR) der Einlassluft-Kompressionsvorrichtung 40 wie gezeigt installiert ist, sind in der Berechnung des Abgas-Massenstroms vorzugsweise Zeitverzögerungskonstanten enthalten, um die Zeitverzögerung im gesamten Maschinenluftsystem zu berücksichtigen.
Ein dreidimensionales Turbinenkennfeld für die Kalibrierung im ECM wird vorzugsweise unter Verwendung von Turbinenkennfelddaten mit den oben erwähnten Eingängen des Abgas-Massenstroms, des Stapeldrucks, der Abgastemperatur und der prozentualen Öffnung der VGT erzeugt und enthält alle Druckverhältnisse und den vollen Durchlauf der VGT-Stellungen von minimal geöffnet (z. B. 25%) zu vollständig geöffnet, um sicherzustellen, dass der parametrische Wert für P_ex, d. h. die Abgasdruckschätzung, über alle Maschinenbetriebsbedingungen hinweg genau ist. Wenn Turbinenkennfelddaten nicht verfügbar sind, können Turbinenkennfeldpunkte unter Verwendung von Maschinentests erzeugt werden. Das beispielhafte Kennfeld, das mit Bezug auf 5 gezeigt ist, wird unter Verwendung der Gleichung 12 zu dem in 6 gezeigten Kennfeld extrapoliert:
Alternativ kann das Druckverhältnis als ein Polynom zweiter Ordnung gemäß Gleichung 13 wie folgt modelliert werden:
wobei
und wobei die Koeffizienten a₁, a₂, a₃, a₄, a₅ und a₆ auf der Grundlage von Turbinenkennfelddaten und/oder von Daten, die durch den Betrieb einer beispielhaften Maschine während der Maschinenkalibrierung erzeugt werden, regressiv ermittelt werden.
In 7 ist die Korrelation der Schätzung aus Gleichung 13 mit der tatsächlichen Messung eines Abgasdrucksensors dargestellt, wobei eine Korrelation eines geschätzten Turbinendruckverhältnisses und eines gemessenen Turbinendruckverhältnisses eine Korrelation von 99% ist.
Maschinentestdaten wurden aus einer beispielhaften Dieselmaschine gesammelt, wobei die oben genannte Druckschätzeinrichtung im ECM implementiert war. Die Maschine wurde bei 1500 und 2500 min^–1 mit einem mittleren effektiven Bremsdruck (Brake Mean-Effective-Pressure, BMEP), der von lastfrei bis 1500 kPa reicht, betrieben. In 8 sind nun Validierungsergebnisse der Abgasdruckschätzung gezeigt. Die durchgezogene Linie repräsentiert den gemessenen Abgasdruck von einem physikalischen Sensor; die Strichlinie repräsentiert den geschätzten Abgasdruck, der in Einheiten von PSI (Pfund pro Quadratzoll) gemessen worden ist. Wie in 9 gezeigt ist, ist der berechnete Schätzfehler kleiner als 5%. Nach einer geringfügigen Abstimmung des konstanten Koeffizienten der obigen Gleichung 13 wird die Schätzgenauigkeit weiter verbessert und der Schätzfehler wird auf weniger als 4,1% verringert, wie in 10 gezeigt ist.
Selbstverständlich sind innerhalb des Umfangs der Erfindung Abwandlungen zulässig. Die Erfindung ist mit besonderem Bezug auf Ausführungsformen und Abwandlungen hieran beschrieben worden. Weitere Abwandlungen und Veränderungen können anderen Personen deutlich werden, wenn sie die Beschreibung lesen und verstehen. Es ist beabsichtigt, dass alle derartigen Abwandlungen und Veränderungen enthalten sein sollen, soweit sie innerhalb des Umfangs der Erfindung liegen.
Zusammenfassung
Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung geschaffen, mit einer Brennkraftmaschine, die mit einer Einlassluft-Kompresssionsvorrichtung mit variabler Geometrie und mit einem Steuermodul ausgerüstet ist, das betreibbar ist, um den Abgasdruck während eines fortlaufenden Maschinenbetriebs zu schätzen. Das Steuermodul ist dazu ausgelegt, Erfassungsvorrichtungen der Brennkraftmaschine zu überwachen, und dazu ausgelegt, Algorithmen auszuführen. Das Verfahren umfasst das Überwachen von Signaleingängen von den Erfassungsvorrichtungen und das Bestimmen von Betriebsparametern für den Abgasstrom und einen Abgasdruck der Einlassluft-Kompressionsvorrichtung. Ein Abgasdruckverhältnis wird auf der Grundlage der Parameter für den Abgasstrom und den Abgasdruck der Einlassluft-Kompressionsvorrichtung bestimmt. Ein Abgasdruck wird auf der Grundlage des Abgasdruckverhältnisses bestimmt.

Claims

Verfahren zum Schätzen eines Abgasdrucks einer Brennkraftmaschine, die mit einer Einlassluft-Kompressionsvorrichtung ausgerüstet ist, das umfasst: Bestimmen von Parametern für den Abgasstrom und die Öffnung der Einlassluft-Kompressionsvorrichtung; Bestimmen eines Abgasdruckverhältnisses auf der Grundlage des Abgasstroms und der Öffnung der Einlassluft-Kompressionsvorrichtung; und Bestimmen des Abgasdrucks auf der Grundlage des Abgasdruckverhältnisses.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen des Parameters für den Abgasstrom das Bestimmen eines Abgasmassenstroms, der auf der Grundlage einer Temperatur des Abgases und eines Drucks bei einem Turbinenauslass der Einlassluft-Kompressionsvorrichtung korrigiert ist, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen des Abgasdrucks auf der Grundlage des Abgasdruckverhältnisses ferner das Bestimmen des Abgasdrucks auf der Grundlage eines Drucks bei einem Turbinenauslass der Einlassluft-Kompressionsvorrichtung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner das Bestimmen einer Drehzahl der Einlassluft-Kompressionsvorrichtung; und das Bestimmen des Abgasdruckverhältnisses auf der Grundlage des Abgasstroms, des Abgasdrucks der Einlassluft-Kompressionsvorrichtung und der Drehzahl der Einlassluft-Kompressionsvorrichtung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen des Abgasdruckverhältnisses auf der Grundlage des Abgasstroms und der Öffnung der Einlassluft-Kompressionsvorrichtung das Bestimmen des Abgasdruckverhältnisses auf der Grundlage eines vorgegebenen Kalibrierungskennfeldes umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen des Abgasdruckverhältnisses auf der Grundlage des Abgasstroms und der Öffnung der Einlassluft-Kompressionsvorrichtung das Berechnen des Abgasdruckverhältnisses mit einer Polynomgleichung zweiter Ordnung umfasst.
Antriebsstrang, der umfasst: eine Brennkraftmaschine, die mit einer Einlassluft-Kompressionsvorrichtung mit variabler Geometrie ausgerüstet ist; und ein Steuermodul: das dazu ausgelegt ist, mehrere Erfassungsvorrichtungen der Brennkraftmaschine zu überwachen und mehrere Aktoren zu steuern; und dazu ausgelegt ist, mehrere darin enthaltene Algorithmen auszuführen, um Folgendes zu bewerkstelligen, wobei die Algorithmen umfassen: i) Code, um Parameter für den Abgasstrom und die Öffnung der Einlassluft-Kompressionsvorrichtung zu bestimmen; ii) Code, um ein Abgasdruckverhältnis auf der Grundlage des Abgasstroms und der Öffnung der Einlassluft-Kompressionsvorrichtung zu bestimmen; iii) Code, um einen Abgasdruck auf der Grundlage des Abgasdruckverhältnisses zu bestimmen; und iv) Code, um einen Abgasdruck auf der Grundlage des Abgasdruckverhältnisses zu bestimmen.
Antriebsstrang nach Anspruch 7, wobei das Steuermodul, das dazu ausgelegt ist, Code auszuführen, um ein Abgasdruckverhältnis auf der Grundlage des Abgasstroms und der Öffnung der Einlassluft-Kompresssionsvorrichtung zu bestimmen, Code enthält, um das Abgasdruckverhältnis auf der Grundlage mehrerer wahlweise wiedergewinnbarer vorgegebener Parameter für das Abgasdruckverhältnis, die in einem Tabellenformat gespeichert sind, zu bestimmen.
Antriebsstrang nach Anspruch 7, wobei das Steuermodul, das dazu ausgelegt ist, Code auszuführen, um ein Abgasdruckverhältnis auf der Grundlage des Abgasstroms und des Abgasdrucks der Einlassluft-Kompressionsvorrichtung zu bestimmen, Code enthält, um eine Polynomgleichung auszuführen.
Antriebsstrang nach Anspruch 7, wobei der Code, um das Abgasdruckverhältnis auf der Grundlage des Abgasstroms zu bestimmen, ferner Code enthält, um den Abgasstrom auf der Grundlage eines Abgasdrucks der Einlassluft-Kompressionsvorrichtung und der Maschinenabgastemperatur zu korrigieren.
Antriebsstrang nach Anspruch 7, wobei der Code, um den Abgasdruck auf der Grundlage des Abgasdruckverhältnisses zu bestim men, Code enthält, um das Abgasdruckverhältnis mit einem Abgasdruck der Einlassluft-Kompressionsvorrichtung mathematisch zu multiplizieren.
Antriebsstrang nach Anspruch 7, wobei die Brennkraftmaschine eine Kompressionszündungsmaschine umfasst.
Antriebsstrang nach Anspruch 7, wobei die Brennkraftmaschine eine Kompressionszündungsmaschine mit homogener Ladung umfasst.
Antriebsstrang nach Anspruch 7, wobei die Brennkraftmaschine eine Funkenzündungsmaschine umfasst.