DE60002238T2

DE60002238T2 - Verfahren zur Schätzung des Luftmassenstroms bei einem turboaufgeladenen Dieselmotor mit Abgasrückführung

Info

Publication number: DE60002238T2
Application number: DE60002238T
Authority: DE
Inventors: Mrdjan J. Jankovic; Ilya V. Kolmanovsky; Paul Eduard Moraal; Michiel J. Van Nieuwstadt
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 1999-01-26
Filing date: 2000-01-17
Publication date: 2003-11-06
Anticipated expiration: 2020-01-18
Also published as: DE60002238D1; EP1024262A3; EP1024262A2; US6035639A; EP1024262B1

Description

Diese Erfindung betrifft turbogeladene Dieselmotoren, die Abgas-Rückführungssysteme besitzen, und spezieller Verfahren zur Abschätzung des Luftmassenstroms in Dieselmotoren hinein, die mit Turboladern variabler Geometrie (VGT, Variable Geometry Turbocharger; Turbolader mit variabler Geometrie) und Abgas-Rückführungssystemen (EGR, Exhaust Gas Recirculation; Abgasrückführung) ausgerüstet sind.
Hochleistungs-Dieselmotoren mit hoher Drehzahl sind oft mit Turboladern ausgerüstet, um die Leistungsdichte über einen weiteren Motor-Betriebsbereich hinweg zu steigern, und mit EGR- Systemen um die Erzeugung von NOx-Emissionen zu vermindern.
Turbolader verwenden einen Teil der Abgasenergie, um die zu den Motor- Verbrennungskammern gelieferte Luftmasse oder Luftladung zu steigern. Die größere Luftmasse kann mit einer größeren Kraftstoffmenge verbrannt werden, und resultiert damit - verglichen mit nicht aufgeladenen Motoren - in gesteigerter Leistung und gesteigertem Drehmoment.
Ein typischer Turbolader besteht aus einem Kompressor und einer Turbine, die durch eine gemeinsame Welle gekoppelt sind. Das Abgas treibt die Turbine an, welche den Kompressor antreibt, welcher wiederum Umgebungsluft verdichtet und in den Ansaugkrümmer hinein leitet. Turbolader mit variabler Geometrie (VGT) lassen es zu, daß der Ansaug-Luftstrom über einen Bereich von Motordrehzahlen hinweg optimiert wird. Dies wird durch Änderung des Winkels der Einlaß-Leitschaufeln auf dem Turbinenstator erreicht. Eine optimale Stellung für die Einlaß- Leitschaufeln wird aus einer Kombination der gewünschten Drehmomentverhaltens, der Kraftstoffersparnis und der Emissionsanforderungen bestimmt.
EGR-Systeme werden verwendet um NOx-Emissionen zu vermindern, indem der Verdünnungsanteil im Ansaugkrümmer gesteigert wird. EGR wird gewöhnlich mit einem EGR- Ventil erreicht, das den Ansaugkrümmer und den Abgaskrümmer verbindet. In den Zylindern wirkt das zurückgeführte Abgas als ein Inertgas, erniedrigt somit die Flammen- und Gastemperatur im Zylinder, und vermindert daher die Bildung von NOx. Andererseits verdrängt das rückgeführte Abgas frische Luft und vermindert das Verhältnis Luft-zu-Kraftstoff in der Mischung im Zylinder.
Sowohl der VGT wie die EGR regulieren den Gasstrom vom Abgaskrümmer, und ihr Effekt ist daher durch die Bedingungen im Abgaskrümmer gekoppelt. Übermäßige EGR-Raten verdrängen die Ansaugung frischer Luft und können zu unvollständiger Verbrennung des eingespritzten Kraftstoffs führen, was wiederum das Auftreten sichtbarer Rauchmengen und erhöhter Emissionspegel hervorrufen könnte. Zusätzlich könnte dies die Kraftstoffersparnis und/oder Leistung negativ beeinflussen. Zur effektiven Steuerung von Dieselmotoren mit EGR- Systemen ist es daher notwendig den EGR-Strom genau zu steuern - nicht nur im Stationärzustand, sondern auch unter vorübergehenden Bedingungen. Im Falle von mit einem VGT ausgerüsteten Dieselmotoren kann der tatsächliche Strom durch das EGR-Ventil hindurch -abhängig von durch Öffnen oder Schließen der Einlaß-Leitschaufeln des VGT erzeugten Abgasdruck-Schwankungen - selbst für eine feststehende EGR-Ventilöffnung beträchtlich variieren. In einem derartigen Fall ist es schwer den EGR-Strom alleine auf Grundlage der EGR-Ventilstellung zu steuern.
Dementsprechend verwenden gegenwärtige Motorkonstruktionen zur richtigen Regulierung des Luftstroms in den Motor hinein -und folglich des EGR-Stroms in mit VGT ausgerüsteten Motoren- einen Luftmassenstrom-Sensor (MAF, Mass Airflow; Luftmassenstrom) und einen Krümmerabsolutdruck-Sensor (MAP, Manifold Absolut Pressure; Krümmerabsolutdruck). Die Regulierung des Luftstroms ist wichtig, weil er in direktem Zusammenhang mit der Kraftstoffmenge steht, die eingespritzt werden kann um der Fahrerforderung nachzukommen, während sichtbarer Rauch und übermäßige Partikelemissionen vermieden werden.
Einstellpunkte für MAP und MAF werden durch Motorkartierung entwickelt, welche auf die Kraftstofforderung ebenso bezogen ist wie auf die Motordrehzahl. Das EGR-Ventil wird verwendet um MAF zu steuern, und der VGT wird verwendet um MAP zu steuern. Typischerweise wird weder der EGR-Strom noch die VGT-Stellung gemessen. Herkömmliche MAF-Sensoren besitzen jedoch eine beschränkte Genauigkeit und sind teurer als MAP- Sensoren oder Abgaskrümmerdruck-Sensoren (EXMP, Exhaus Manifold Pressure; Abgaskrümmerdruck).
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren der Berechnung des Luftstroms in den Kompressor eines turbogeladenen Dieselmotors hinein bereitgestellt, der ein EGR System aufweist. Das Verfahren umfaßt die Schritte MAP- und EXMP-Werte zu erzeugen, die Stellung des EGR-Ventils zu bestimmen, und die Abgas-Temperatur und die Ansaugluftladungs- Temperatur zu bestimmen. Aus diesen gemessenen oder geschätzten Werten wird der EGR- Strom als Funktion von MAP und EXMP, des Abgas-Temperaturwertes und der Stellung des EGR-Ventils berechnet. Wurde der EGR-Stromwert einmal erhalten, so wird der Kompressor- Luftstromwert, d. h. MAP, dynamisch als Funktion des EGR-Stromwertes, des Ansaugluftladungs-Temperaturwertes und Zustandes des dynamischen Schätzers bestimmt. Der Kompressor-Stromwert wird dann verwendet um die Stellung des EGR-Ventils zu steuern.
Eine Ausführungsform der Erfindung schätzt den Kompressor-Luftmassenstrom (MAP) auf Grundlage von MAP und EXMP und EGR-Ventilstellung anstatt eines MAF-Sensors. "Sie verbessert die EGR-Steuerung indem sie eine genaue Schätzung von MAP bereitstellt. Die Erfindung ist darin vorteilhaft daß sie Systemkosten verringert, indem sie aus einem EXMP-Sensor als Ersatz für den teureren, herkömmlichen MAF-Sensor Vorteil zieht.
EP 0774574 beschreibt ein System zur Schätzung äquivalenter Luft-Ansaugmengen aus dem durch einen MAF-Sensor abgetasteten Werten.
Die Erfindung wird nun, anhand eines Beispiels, unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben werden, in denen:
Abb. 1 eine schematische Ansicht eines Dieselmotors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, der ein EGR-System und einen VGT aufweist;
Abb. 2 ein Logikdiagramm ist, das ein Verfahren der Abschätzung von MAP gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschreibt; und
Abb. 3 eine graphische Darstellung einer Ausführungsform des Schätzverfahrens gegen den tatsächlichen MAF ist.
Wendet man sich zuerst Abb. 1 zu, so ist dort ein vereinfachtes, schematisches Diagramm eines Dieselmotor-Systems 10 gezeigt, das mit einem Abgasrückführungs-System 12 (EGR) und einem Turbolader mit variabler Geometrie 14 (VGT) ausgerüstet ist. Es wird ein repräsentativer Motorblock 16 gezeigt, der vier Verbrennungskammern 18 besitzt. Jede der Verbrennungskammern 18 schließt eine Kraftstoff-Direkteinspritzung 20 ein. Der Arbeitszyklus der Kraftstoffeinspritzungen 20 wird durch die Motor-Steuereinheit 24 (ECU, Engine Control Unit, Motor-Steuereinheit) bestimmt und entlang von Signalleitung 22 übertragen. Luft tritt durch den Ansaugkrümmer 26 in die Verbrennungskammern 18 ein, und Verbrennungsgase werden durch den Abgaskrümmer 28 in der Richtung von Pfeil 30 ausgestoßen.
Um den Pegel an NOx-Emissionen zu vermindern, ist der Meter mit einem EGR-System 12 ausgelastet. Das EGR-System 12 umfaßt einen Kanal 32, der den Abgaskrümmer 28 mit dem Ansaugkrümmer 26 verbindet. Dies erlaubt es einem Teil der Abgase in Richtung von Pfeil 31 von dem Abgaskrümmer 28 zum Ansaugkrümmer 26 rückgeführt zu werden. Ein EGR-Ventil 34 reguliert die Menge des von Abgaskrümmer 28 rückgeführten Abgases. In den Verbrennungskammern wirk das rückgeführte Abgas als ein Inertgas, senkt somit die Flammen- und Gastemperatur im Zylinder, und vermindert daher die Bildung von NOx. Andererseits verdrängt das rückgeführte Abgas frische Luft und erniedrigt das Verhältnis Luft-zu-Kraftstoff des Gemischs im Zylinder.
Der Turbolader 14 verwendet Abgasenergie, um die Masse der zu den Motor- Verbrennungskammern 18 gelieferten Luftladung zu steigern. Das in der Richtung von Pfeil 30 strömende Abgas treibt den Turbolader 14 an. Diese größere Luftmasse kann mit einer größeren Kraftstoffmenge verbrannt werden, was - verglichen mit nicht aufgeladenen Motoren - in gesteigerter Leistung und gesteigertem Drehmoment resultiert.
Der Turbolader 14 besteht aus einem Kompressor 36 und einer Turbine 38, die durch eine gemeinsame Welle 40 gekoppelt sind. Das Abgas 30 treibt die Turbine 38 an, welche den Kompressor 36 antreibt, welcher wiederum Umgebungsluft 42 verdichtet und sie (Pfeil 43) in den Ansaugkrümmer 26 hinein leitet. Der VGT 14 kann während des Motorbetriebs als eine Funktion der Motordrehzahl modifiziert werden, indem der Durchflußquerschnitt der Turbine und der Winkel variiert wird, in welchem das Abgas 30 auf die Turbinenschaufeln geleitet wird. Dies wird erreicht indem der Winkel der Einlaß-Leitschaufeln 44 auf der Turbine 38 verändert wird. Die optimale Stellung für die Motor-Leitschaufeln 44 wird aus den gewünschten Motor- Betriebscharakteristika bei verschiedenen Motordrehzahlen bestimmt.
Wie man aus Abb. 1 erkennen kann regulieren sowohl die EGR 12 wie auch der VGT 14 den Gasstrom vom Abgaskrümmer 28. Der Effekt der EGR und des VGT hängt damit gemeinsam von den Bedingungen in dem Abgaskrümmer 28 ab.
Alle der Motorsysteme, einschließlich der EGR 12 und VGT 14, werden von der ECU gesteuert. Zum Beispiel reguliert Signal 46 von der ECU 24 die Stellung des EGR-Ventils, und Signal 48 reguliert die Stellung der VGT-Leitschaufeln 44.
In der ECU 24 werden die Führungssignale 46, 48 zu den Stellgliedern der EGR 12 und des VGT 14 mittels Steueralgorithmen aus gemessenen Variablen und Motor-Betriebsparametern errechnet. Sensoren und kalibrierbare Tabellen versorgen die ECU 24 mit Motorbetriebs- Informationen. Zum Beispiel stellt MAP-Sensor 50 ein Signal 52 zur ECU 24 bereit, das für den Druck im Ansaugkrümmer 26 bezeichnend ist. Ebenso stellt EXMP-Sensor 54 ein EXMP- Signal 56 zu der ECU 24 bereit, das für den Druck in dem Abgaskrümmer 28 bezeichnend ist. Weiterhin stellt ein Luftladungstemperatur-Sensor 58 ein Signal 60 zu der ECU 24 bereit, das für die Temperatur der Ansaugluftladung 42 bezeichnend ist. Zusätzliche Sensoreingaben, wie Motorkühlmittel-Temperatur, Motordrehzahl und Drosselklappenstellung, können von der ECU auch entlang von Signalleitung 62 empfangen werden. Auf Grundlage dieser Sensoreingaben und der im Speicher gespeicherten Motor-Kartierungsdaten steuert die ECU die EGR, um den Ansaugluftstrom (MAP) zu regulieren, und steuert den VGT um den Ansaugkrümmerdruck (MAP) zu regulieren. Weil das System 10 keinen MAF-Sensor einschließt werden jedoch MAP und EXMP benutzt, um die EGR zu steuern.
Abb. 2 beschreibt den Logikfluß der ECU, um den Ansaugluftstrom zu schätzen und das EGR-Ventil zu steuern.
Durch die Spezifikation hindurch werden in der Beschreibung gemessener oder berechneter Variablen die folgenden Notationen benutzt:
P Druck (kPa)
T Temperatur (K)
m Masse (kg)
W Massenstrom (kg/s)
F verbrannter Gasanteil
αegr EGR-Ventilstellung
Weiterhin werden die folgenden tiefgestellten Indizien benutzt, um Bereiche des Motorsystems zu bezeichnen:
1 Ansaugkrümmer 26
2 Abgaskrümmer 28
e Motorblock 16
t Turbine 38
c Kompressor 36
Abschließend wird auf die folgenden thermodynamischen Konstanten für Luft bei 300 K Bezug genommen:
cp = 1,0144 kJ/kg/k R = cp - cv
cv = 0,7274 kJ/kg/K γ = cp/cv
Folglich bezieht sich das Symbol p&sub1; zum Beispiel auf den Ansaugkrümmerdruck in kPa. Kombinierte tief gestellte Indizien, wie etwa "e2", beziehen sich auf Ströme von dem ersten zu dem zweiten Untersystem.
Wie oben erwähnt ist es wünschenswert die EGR auf Grundlage des Luftmassenstroms in den Ansaugkrümmer hinein zu steuern. Typisch wird dies erreicht indem man die Ausgabe eines im Strom oberhalb des Kompressor angeordneten MAF-Sensors überwacht. In der vorliegenden Erfindung wird der Ansaug-Luftmassenstrom jedoch als eine Funktion mehrerer gemessener und berechneter Variablen abgeschätzt. Abb. 2 beschreibt die Logikroutine, um EGR- Steuerung auf Grundlage einer Abschätzung des Ansaug-Luftmassenstroms zu erreichen. Diese Logikroutine ist im ECU gespeichert und wird als Teil der Vordergrund-Logikroutine verrichtet, die verwendet wird, um die Motor-Betriebscharakteristika zu steuern.
In Schritt 102 werden Messungen von Ansaugkrümmerdruck (p&sub1;) und Abgaskrümmerdruck (p&sub2;) durch die ECU 24 entsprechend mittels der Signaleingänge 52 und 56 empfangen. Diese Signale können gefiltert werden, um Schwingungen in den Signalen zu entfernen.
Ähnlich wird bei Schritt 104 die EGR-Ventilstellung (αegr) bestimmt. Bei Schritt 106 wird die Temperatur über das EGR-System hinweg (T&sub2;&sub1;) aus einer auf Motor-Betriebsbedingungen basierenden Stationärzustands-Karte bestimmt. Alternativ kann T&sub2;&sub1; als konstant angenommen werden. Die Luftladungstemperatur (Tc1) kann auch durch einen Temperatursensor gemessen werden, wie etwa Sensor 58 von Abb. 1, oder basierend auf Motor-Betriebsbedingungen geschätzt werden.
Schritt 110 berechnet den EGR-Stromwert als eine Funktion von p&sub1;, p&sub2;, T&sub2;&sub1; und αegr gemäß der folgenden Gleichung:
W&sub2;&sub1; = f&sub1;(αegr)p&sub2;/(RT&sub2;&sub1;)1/2 φ(p&sub1;/p&sub2;) (1)
In Gleichung (1) stellt f&sub1;(αegr) den effektiven Durchflußquerschnitt des EGR-Ventils als eine Funktion der Stellung des EGR-Ventils dar, R stellt den Unterschied zwischen der druckspezifischen Wärmekonstante und der volumenspezifischen Wärmekonstante dar, und φ stellt eine Standard-Öffnungsgleichung dar, welche die folgende Form besitzt:
φ(r) = [(2γ/(γ - 1))(r2/γ - r(γ+1)/γ]1/2 für r ≥ (2/(γ + 1)γ/(γ-1)
φ(r) = γ1/2(2/(γ + 1))(γ+1)/(2(γ-1)) für r < (2/(γ + 1)γ/(γ-1)
Mit Wissen des EGR-Stromwerts, W&sub2;&sub1;, kann der Kompressordurchfluß Wc1 in Schritt 112 aus der folgenden, den Ansaugkrümmerdruck beschreibenden Differentialgleichung berechnet werden:
dp&sub1;/dt = (Rγ/V&sub1;)(Wc1Tc1 + W&sub2;&sub1;T&sub2;&sub1; - W1eT&sub1;) (2)
wobei der Strom aus dem Ansaugkrümmer heraus und in die Verbrennungskammern hinein gegeben ist durch:
W1e = (NVdnvol/(RT&sub1;120))p&sub1; (3)
worin N die Motordrehzahl darstellt, Vd das Verdrängungsvolumen des Motors darstellt und nvol den volumetrischen Wirkungsgrad des Motors darstellt. Der volumetrische Wirkungsgrad ist im ECU-Speicher als eine Funktion einer oder mehrerer der folgenden Variablen gespeichert: Ansaugkrümmerdruck, Ansaugkrümmertemperatur, Kraftstofforderung, Motordrehzahl und Motorkühlmitteltemperatur.
Folglich kann Gleichung (2) wie folgt umgeschrieben werden:
dp&sub1;/dt = -Ap&sub1; + (Rγ/V&sub1;)(Wc1Tc1 + W&sub2;&sub1;T&sub2;&sub1;)) (4)
wobei:
A = (NVdγnvol/(V&sub1;120))) (5)
Somit ist der einzige unbekannte Term aus Gleichung (5) die Kompressor-Durchflußmenge Wc1. Es wird daher ein Beobachter konstruiert der das Produkt Wc1Tc1 dynamisch schätzt, indem er den normierten Enthalpiestrom als den Zustand eines dynamischen Systems interpretiert, dessen Dynamik als Null angenommen wird. Im Stationärzustand ist dies wahr; während vorübergehender Bedingungen könnte die Systemdynamik jedoch durch einen Term genähert werden, welcher der ersten Ableitung der Gaspedalstellung, des geforderten Kraftstoffsignals oder des VGT-Stellorgansignals proportional ist. Man nehme an, der Zustand des Schätzers ist der normierte Enthalpiestrom, z = Wc1Tc1, und lasse und entsprechend Schätzungen von Ansaugkrümmerdruck und z sein, so kann ein Druckfehlerterm und ein Stromfehlerterm wie folgt definiert werden:
&epsi;p = p&sub1; -
&epsi;x = z -
Die folgenden Differentialgleichungen sind die Beobachter für Krümmerdruck und Enthalpiestrom:
d /dt = -(A + MA) + MAp&sub1; + (Rγ/V&sub1;)(W&sub2;&sub1;T&sub2;&sub1; + ) (6)
d /dt = L(p&sub1; - ) (7)
wobei L und M kalibrierbare Konstanten sind, deren Wert > 0 ist. Die Fehlerdynamik für Gleichungen (6) und (7) ist dann:
dep/dt = -(1 + M)Aep + (RγV&sub1;)(ex) (8)
dex/dt = -Lep (9)
Aus den Eigenwerten dieser linearen Systeme können geeignete Werte für die Konstruktionsparameter M und L bestimmt werden; eine Anforderung ist, daß die Eigenwerte des Fehlersystems in der linken Hälfte der komplexen Ebene liegen. Nimmt man zum Beispiel M = 0,5, L = 0,5 und V&sub1; = 0,003 m³ an, und die Motor-Betriebsbedingungen ergeben nvol = 0,85, so werden die Eigenwerte durch -7,3353 und -4,5647 gegeben.
Die Schätzung des Kompressor-Luftstromwertes (Wc1) ist dann durch die folgende Gleichung gegeben:
Wc1 = /Tc1 (10)
Um Gleichung (10) in der digitalen ECU zu implementieren, kann sie mit einer ausreichend kleinen Abtastdauer δt diskretisiert werden. In einem solchen Fall ist der Wert von Wc1 durch die folgenden Gleichungen geregelt:
(k + 1) = (k)+ δt[-(A + MA) (k) + MAp&sub1;(k) + (Rγ/V&sub1;)... (W&sub2;&sub1;(k)T&sub2;&sub1;(k) + (k))] (11)
(k + 1) = (k) + δt[L(p&sub1;(k) - (k))] (12)
Wc1(k) = (k)/Tc1(k) (13)
Alternativ kann der Kompressor-Luftstromwert auf Grundlage des idealen Gasgesetzes - anstelle des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik, wie in Gleichungen (4) und (13) - wie folgt definiert werden:
(k + 1) = (k) + δt[-(1/γ)(A + M'A) (k) + (M'A/γ)p&sub1;(k) + (RT&sub1;(k)/V&sub1;)(W&sub2;&sub1;(k) + (k))] (14)
(k + 1) = (k) + δt(L'(p&sub1;(k) - (k))] (15)
Wc1(k) = z(k) (16)
wobei M' und L' von M und L verschieden sein können.
Mit der Kompressor-Luftstromschätzung von Gleichung (13) oder (16) steuert die ECU das EGR-Ventil in Schritt 114 in jeglicher bekannten Art und Weise, welche die typische MAF- Sensor-Messung durch den in Gleichung (13) oder (16) berechneten Wert für Wc1 ersetzt.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann Wc1 durch ein anderes Verfahren auf Grundlage des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik berechnet werden, worin die folgende Gleichung den Ansaugkrümmerdruck definiert:
dp&sub1;/dt = (Rγ/V&sub1;)(Wc1Tc1 + W&sub2;&sub1;T&sub2;&sub1; - W1cT&sub1;) (17)
Anwendung einer Laplace-Transformation auf beiden Seiten von Gleichung (17) und Multiplikation von Gleichung (17) mit 1/(s/τ + 1) resultiert in der folgenden Gleichung:
sp&sub1;/(s/τ + 1) = (Rγ/V&sub1;)(1/(s/τ + 1))(Wc1Tc1 + W&sub2;&sub1;T&sub2;&sub1; - W1eT1)( (18)
Aus Gleichung (18) können Schätzungen für die Änderungsgeschwindigkeit des Ansaugdrucks und des Kompressordurchflusses wie folgt definiert werden:
d = sp&sub1;/(τs + 1) (19)
= Wc1(τs + 1) (20)
= (1/(τs + 1))(W&sub2;&sub1;T&sub2;&sub1; - W1eT&sub1;) (21)
Setzt man diese Werte in Gleichung (18) ein, so ist der gefilterte Ansaugluft-Massenstrom, Wc1, definiert als:
= (1/Tc1)((V&sub1;/γR)d - f) (22)
Ansaugdruck, p&sub1;, und Ansaug_Luftladungstemperatur, Tc1, sind gemessene Werte von MAP- Sensor 50 und Temperatursensor 58 von Abb. 1. Die verbleibenden Variablen sind entweder bekannt oder können aufgelöst werden. Zum Beispiel wird der EGR-Massenstrom, W&sub2;&sub1;, unter Verwendung des gemessenen Abgaskrümmerdrucks, des Ansaugkrümmerdrucks und der EGR-Ventilstellung wie in Gleichung (1) aus der Standard-Öffnungsgleichung erhalten. Ähnlich wird die Ansaug-Durchflußmenge des Motors, W1c, aus dem kartierten volumetrischen Wirkungsgrad, dem gemessenen Ansaugkrümmerdruck und der Motordrehzahl wie in Gleichung (3) erhalten. Außerdem kann die Temperatur über das EGR-System hinweg, T&sub2;&sub1;, als eine Konstante angenommen werden, oder als eine Funktion gemessener Motor- Betriebsbedingungen kartiert werden. Abschließend wird die Ansaugkrümmertemperatur, T&sub1;, aus der Stationärzustands-Gleichung erhalten:
T&sub1; = ( Tc1 + W&sub2;&sub1;T&sub2;&sub1;)/( + W&sub2;&sub1;) (23)
Um die Steuerlogik in der digitalen CPU zu implementieren, kann die Logik bevorzugt über diskrete Zeitdauern, δt, hinweg abgetastet werden, was in den folgenden Steuerungsgleichungen resultiert:
d(k + 1) = d(k) + δt(-τd(k) + p&sub1;(k) (24)
d (k)/dt = τ(p&sub1;(k) - τd(k)) (25)
(k + 1) = f(k) + δt(-τ (k) + τ(W&sub2;&sub1;(k)T&sub2;&sub1;(k) - W1e((k)T&sub1;(k))) (26)
(k) = (1/Tc1(k))((V&sub1;/(γR))d (k) - (k)) (27)
worin V&sub1; das Volumen des Ansaugkrümmers darstellt, d (k) eine Schätzung der Änderungsgeschwindigkeit des Ansaugkrümmerdrucks darstellt, (k) den gefiltertem Unterschied zwischen der normierten Enthalpie des Abgas-Rückführungstroms und der normierten Enthalpie des Motor-Ansaugstroms darstellt, lind Tc1(k) die durch den Kompressor in den Ansaugkrümmer hinein gelieferte Luftladungstemperatur darstellt.
Als eine weitere Ausführungsform kann der Kompressor-Luftstromwext auf Grundlage des idealen Gasgesetzes wie folgt definiert werden, anstatt durch den ersten Hauptsatz der Thermodynamik wie in den Gleichungen (17), (26) und (27):
d(k + 1) = d(k) + δt(-τd)(k) + p&sub1;(k)) (28)
d (k) = τ(p&sub1;(k) - τd(k)) (29)
(k + 1) = (k) + δt(-τ (k) + τ(W&sub2;&sub1;(k) - W1e(k))) (30)
(k) = (V&sub1;/RT&sub1;(k))d (k) - (k) (31)
worin V&sub1; das Volumen des Ansaugkrümmers darstellt, T&sub1;(k) die Temperatur des Ansaugkrümmers darstellt, (k) eine Schätzung der Änderungsgeschwindigkeit des Ansaugkrümmerdrucks darstellt, und (k) den gefilterten Unterschied zwischen der Durchflußmenge der Abgasrückführung und der Motor-Ansaugdurchflußmenge darstellt.
Die Leistung des Kompressordurchfluß-Verfahrens wie durch Gleichung (31) definiert ist in Abb. 3 veranschaulicht Abb. 3 zeigt einen Graphen des geschätzten MAF unter Verwendung von Gleichung (31) (Linie 202) gegen den gemessenen MAF (Linie 200) über eine Dauer von 200 Sekunden.
Aus dem Vorangehenden wird man sehen, daß in die Technik ein neues und verbessertes Verfahren eingebracht wurde, die Ansaugluftmasse, Wc1, zu schätzen, welches die Notwendigkeit für einen MAF-Sensor beseitigt. In Gleichungen (13), (16), (27) und (31) wurden mindestens vier Verfahren der Schätzung von Wc1 bereitgestellt. Die Steuerschemata der Gleichungen (11)-(13) und (14)(16) sind beobachterbasiert und beinhalten zwei Abstimmparameter (M und L oder entsprechend M' und L'), welche verwendet werden können, um die Motorleistung während vorübergehender Bedingungen zu optimieren. Die Steuerschemata der Gleichungen (24)-(27) und (28)-(31) sind filterbasiert, wobei eine Abstimmung erreicht wird indem der Bandbreitenparameter des Filters, τ, angepaßt wird. Die Steuerschemata unterscheiden sich weiterhin auf Basis der zugrundeliegenden Annahmen, betreffend die Vorgänge im Ansaugkrümmer - speziell adiabatisch für die Gleichungen (11)- (13) und (24)-(27), und isotherm für die Gleichungen (14)(16) und (28)-(31). Die adiabate Annahme resultiert in höherer Genauigkeit bei Transienten, vorausgesetzt die Temperaturmessungen oder -schätzungen sind genau. Enthalten die Temperaturmessungen oder -schätzungen große Fehler, so erweist sich das auf den isothermen Annahmen basierende Steuerschema als genauer.
Während die Erfindung in Verbindung mit einer oder mehreren Ausführungsformen beschrieben wurde, wird man verstehen dass, die Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt ist. Zum Beispiel fände das offenbarte Verfahren gleichermaßen Anwendung auf Motorsysteme mit Turboladern fester Geometrie, obwohl das beschrieben Motorsystem einen Turbolader mit variabler Geometrie einschließt.

Claims

1. Ein Verfahren der Berechnung des Luftstroms in einen Kompressor eines turbogeladenen Dieselmotors hinein, der ein Abgasrückführungs-System (12) besitzt, das ein Ansaugkrümmer (26) und Abgaskrümmer (28) des Motors verbindendes Ventil (34) aufweist, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt:

Messen eines Ansaugdruckwertes (p&sub1;), welcher für den Ansaugkrümmerdruck bezeichnend ist;

Messen eines Abgasdruckwertes (p&sub2;), welcher für den Abgaskrümmerdruck bezeichnend ist;

Bestimmen eines ersten Werts (αegr), der für die Stellung des Abgasrückführungs-Ventils (34) bezeichnend ist;

Bestimmen eines ersten Temperaturwerts (T&sub2;&sub1;), der für die Temperatur des durch das Abgasrückführungs-System (12) strömenden Abgases bezeichnend ist;

Messen eines zweiten Temperaturwerts (Tc1), der für die Temperatur der in den Ansaugkrümmer (26) des Motors eintretende Luftladung bezeichnend ist;

Berechnen eines Abasrückführungs-Stromwertes (W&sub2;&sub1;) als eine Funktion von p&sub1;, p&sub2;, T&sub2;&sub1; und αegr und

Berechnen eines Kompressor-Luftstromwertes (Wc1) als eine Funktion dieses Abgasrückführungs-Stromwertes (W&sub2;&sub1;) und dieses zweiten Temperaturwertes (Tc1), wobei dieser Kompressor-Luftstromwert verwendet wird um die Stellung dieses Abgasrückführungs- Ventils (34) zu steuern.

2. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, in dem der Schritt der Bestimmung eines ersten Temperaturwertes (T&sub2;&sub1;) den Schritt einschließt diesen ersten Temperaturwert aus einer Tabelle von Werten abzurufen, die nach der Motordrehzahl indiziert ist.

3. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, in dem der Schritt der Bestimmung eines ersten Temperaturwertes (T&sub2;&sub1;) den Schritt einschließt diesen ersten Temperaturwert aus einer Tabelle von Werten abzurufen, die nach Motordrehzahl, Kraftstofforderung und Kraftstoff-Einspritzzeit indiziert ist.

4. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, in dem der Schritt der Berechnung eines Abgasrückführungs-Stromwertes (W&sub2;&sub1;) durch die folgende Gleichung geregelt ist:

W&sub2;&sub1; = f&sub1;(αegr)p&sub2;/(RT&sub2;&sub1;)1/2φ(p&sub1;/p&sub2;)

worin f&sub1;(αegr) den effektiven Durchflußquerschnitt des Abgasrückführungs-Ventils (34) als eine Funktion der Stellung des Abgasrückführungs-Ventils (34) darstellt, R den Unterschied zwischen der druckspezifischen Wärmekonstante und der volumenspezifischen Wärmekonstante darstellt, T&sub2;&sub1; eine Schätzung der in den Ansaugkrümmer (26) eintretenden Abgasrückführungs-Temperatur darstellt, und φ eine Standard-Öffnungsgleichung darstellt, welche die folgende Form besitzt:

φ(r) = [(2γ/(γ - 1))(r2/γ - r(γ+1)/γ]1/2 für r ≥ (2/(γ + 1)γ/(γ-1)

φ(r) = y1/2(2/(γ + 1))(γ+1)/(2(γ-1)) für r < (2/(γ + 1)γ/(γ-1)

worin γ das Verhältnis der druckspezifischen Wärmekonstante zur volumenspezifischen Wärmekonstante darstellt.

5. Ein Verfahren gemäß Anspruch 4, in dem der Schritt der Berechnung des Kompressor- Luftstromwerts (Wc1) durch die folgende Gleichung geregelt ist:

Wc1 = /Tc1

worin die normierte Enthalpiestrom-Schätzung darstellt.

6. Ein Verfahre gemäß Anspruch 4, in dem der Schritt der: Berechnung des Kompressor- Luftstromwertes (Wc1) den Schritt der Berechnung von Wc1 über diskrete Abtastdauern, δt, hinweg einschließt, wobei der Wert von Wc1 durch die folgende Gleichung geregelt wird:

Wc1(k) = (k)/Tc1(k)

worin die von einer adiabaten Annahme des Motorsystems und dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik abgeleitete normierte Enthalpiestrom-Abschätzung darstellt.

7. Ein Verfahren gemäß Anspruch 4, in dem der Schritt der Berechnung eines Kompressor- Luftstromwerts (Wc1) den Schritt der Berechnung von Wc1 über diskrete Abtastdauern, δt, 35 hinweg einschließt, wobei der Wert von Wc1 durch die folgende Gleichung geregelt wird:

Wc1(k) = (k)

worin die von einer isothermen Annahme des Motorsystems und dem idealen Gasgesetz abgeleitete Stromabschätzung darstellt.

8. Ein Verfahren gemäß Anspruch 4, in dem der Schritt der Berechnung eines Kompressor- Luftstromwertes (Wc1) den Schritt der Berechnung von Wc1 über diskrete Abtastdauern, δt, hinweg einschließt, wobei der Wert von Wc1 durch die folgende Gleichung geregelt wird:

Wc1(K) = (1/Tc1(k))(V&sub1;/(γR))d (k) - (k))

worin V&sub1; das Volumen des Ansaugkrümmers darstellt, d (k) eine Schätzung der Änderungsgeschwindigkeit des Ansaugkrümmerdrucks darstellt, (k) den gefilterten Unterschied zwischen der Enthalpie des Abgas-Rückführungsstroms und der Enthalpie des Motor-Ansaugstroms darstellt, und Tc1(k) die Temperatur der durch den Kompressor (36) in den Ansaugkrümmer (26) hinein gelieferte Luftladung darstellt.

9. Ein Verfahren gemäß Anspruch 4, in dem der Schritt der Berechnung eines Kompressor- Luftstromwertes (Wc1) den Schritt der Berechnung von Wc1 über diskrete Abtastdauern, δt, hinweg einschließt, wobei der Wert von Wc1 durch die folgende Gleichung geregelt wird:

Wc1(k) = (V&sub1;/RT&sub1;(k))d (k) - (k)

worin V&sub1; das Volumen des Ansaugkrümmers (26) darstellt, T&sub1;(k) die Temperatur des Ansaugkrümmers (26) darstellt, d (k) eine Schätzung der Änderungsgeschwindigkeit des Ansaugkrümmerdrucks darstellt, und (k) den gefilterten Unterschied zwischen der Abgasrückführungs-Durchflußmenge und der Motoransaug-Durchflußmenge darstellt.