DE10038991A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung einer Betriebsgröße einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung einer Betriebsgröße einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen. Dabei ist ein Regler vorgesehen, welcher in Abhängigkeit der Regelabweichung nach Maßgabe wenigstens eines veränderlichen Parameters ein Ausgangssignal zur Regelung der Betriebsgröße erzeugt. In Abhängigkeit der Betriebsart (Schichtbetrieb, Homogenbetrieb, Homogenmagerbetrieb) wird der Wert dieses wenigstens einen Parameters auf speziell auf die Strecke in der jeweiligen Betriebsart angepassten Werte umgeschaltet.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung einer Betriebsgröße einer Brennkraftmaschine.

In modernen Steuersystemen für Brennkraftmaschinen von Fahr­ zeugen werden vielfach Regelsysteme eingesetzt, welche eine Betriebsgröße der Brennkraftmaschine und/oder des Fahrzeugs auf einen vorgegebenen Sollwert regeln. Ein Beispiel für derartige Regelsysteme sind Leerlaufdrehzahlregler, durch welche die Drehzahl im Leerlauf der Brennkraftmaschine auf einen vorgegebenen Sollwert geregelt wird. Andere Beispiele sind Regelsysteme zur Regelung des Luftdurchsatzes durch die Brennkraftmaschine, der Abgaszusammensetzung, des Drehmo­ ments, etc. So zeigt die DE 30 39 435 A1 (US-Patent 4 441 471) ein Leerlaufdrehzahlregelsystem, bei dem zur Ver­ besserung der Regeleigenschaften vorgesehen ist, wenigstens einen Parameter des Reglers variabel auszugestalten. Im ge­ zeigten Ausführungsbeispiel wird der Proportionalanteil des Reglers in Abhängigkeit der Größe der Regelabweichung ange­ passt.

Bei Brennkraftmaschinen mit Benzindirekteinspritzung unter­ scheidet sich das dynamische Verhalten des Motors je nach aktueller Betriebsart, d. h. z. B. im Schichtladungsbetrieb, im Homogenmagerbetrieb oder im Homogenbetrieb. Der bekannte Regler ist an eine derartige Änderung des dynamischen Ver­ haltens der Regelstrecke nicht angepasst.

Vorteile der Erfindung

Durch die Verwendung wenigstens eines betriebsartenabhängi­ gen Parameters des Reglers wird eine verbesserte Anpassung des Reglers an die Regelstrecke und ihre Änderungen insbe­ sondere im dynamischen Verhalten erreicht.

Somit wird für jede Betriebsart einer Brennkraftmaschine mit Benzindirekteinspritzung eine jeweils auf diese Betriebsart angepasste optimale Regelgüte in Bezug auf Schnelligkeit und Stabilität der Regelung erreicht.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Be­ schreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. Dabei zeigt Fig. 1 ein Übersichtsschaltbild eines Reglers für eine Be­ triebsgröße einer Brennkraftmaschine am Beispiel eines Leer­ laufdrehzahlreglers, während in Fig. 2 ein Ablaufdiagramm dargestellt ist, welches ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Reglers darstellt, bei dem wenigstens ein Parameter abhängig von der aktuellen Betriebsart verändert wird.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Fig. 1 zeigt eine elektronische Steuereinheit 10 zur Steue­ rung einer Brennkraftmaschine, die eine nicht dargestellte Rechnereinheit aufweist, in welcher eine Regelung wenigstens einer Betriebsgröße implementiert ist. Im bevorzugten Aus­ führungsbeispiel handelt es sich bei der Regelung um einen Leerlaufdrehzahlregelung. In anderen Ausführungsbeispielen kann es sich um eine Luftdurchsatzregelung, eine Lastrege­ lung, eine Drehmomentenregelung, eine Regelung der Abgaszu­ sammensetzung, der Fahrgeschwindigkeit, etc. handeln, wobei die entsprechenden Soll- und Istgrößen sowie Ansteuersignale einzusetzen sind. In Fig. 1 ist ein Sollwertbilder 12 dar­ gestellt, welcher in Abhängigkeit von wenigstens einer über die Eingangsleitungen 14 bis 18 der Steuereinheit 10 zuge­ führten Betriebsgröße einen Sollwert SOLL für die zu regeln­ de Betriebsgröße bildet. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel eines Leerlaufdrehzahlreglers handelt es sich bei den zur Sollwertbildung herangezogenen Größen um Motortemperatur, den Betriebsstatus von Nebenverbrauchern wie beispielsweise einer Klimaanlage, etc. Ferner wird der Steuereinheit 10 über die Eingangsleitung 20 ein Signal zugeführt, welches die Istgröße der zu regelnden Betriebsgröße darstellt. Soll- und Istgröße werden im Vergleicher 22 miteinander vergli­ chen. Die Abweichung zwischen Soll- und Istgröße wird als Regelabweichung Δ Reglern 24 und 25 zugeführt. Zumindest ei­ ner dieser Regler 24 und 25 weist wenigstens einen veränder­ lichen Parameter auf. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel be­ steht zumindest einer dieser Regler aus Proportional-, Dif­ ferential- und Integralanteil, wobei je nach Ausführungsbei­ spiel jeder der Anteile oder nur ein oder mehrere Anteile veränderlich sind, sowohl in Abhängigkeit von Betriebsgrößen als auch im Sinne einer Umschaltung abhängig von der Be­ triebsart der Brennkraftmaschine.

Auf der Basis der implementierten Regelstrategie bildet der Regler 24 in Abhängigkeit der Regelabweichung Δ wenigstens ein Ausgangssignal τ1, welches wenigstens eine der Steuer­ größen der Brennkraftmaschine beeinflusst, durch die eine schnelle Momentenänderung der Brennkraftmaschine bewirken. Diese Stellgrößen sind Zündwinkel und/oder Kraftstoffzufuhr, wobei im Homogenbetrieb eine Zündwinkelbeeinflussung, außer­ halb davon eine Kraftstoffmengenbeeinflussung durchgeführt wird. Der zweite Regler 25 bildet ebenfalls in Abhängigkeit der Regelabweichung Δ nach Maßgabe der implementierten Re­ gelstrategie (vorzugsweise PD-Struktur) wenigstens ein wei­ teres Ausgangssignal τ2, welches wenigstens eine Steuergröße beeinflusst, der zu einer vergleichsweise langsamen Verstel­ lung des Drehmoments führt. Bei einer Brennkraftmaschine stellt diese Steuergröße die Luftzufuhr dar, so dass das An­ steuersignal τ2 ein Stellglied, beispielsweise eine Drossel­ klappe, zur Beeinflussung der Luftzufuhr zur Brennkraftma­ schine ansteuert. Im dargestellten Beispiel bildet jeder An­ teil des Reglers 24 bzw. des Reglers 25 ein Reglerausgangs­ signal, welche zusammengeführt (z. B. addiert) das Ausgangs­ signal τ1 bzw. τ2 bilden.

Die verschiedenen Anteile des Reglers 24 und/oder die des Reglers 25 weisen Parameter, beispielsweise Verstärkungsfak­ toren, auf, deren Wert je nach Ausführung gegebenenfalls veränderbar ist, d. h. zwischen wenigstens zwei Werten oder Kennlinien umschaltbar ist.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel einer Leerlaufregelung wird in der Regel ein Regler mit Proportional-, Integral- und Differentialanteil eingesetzt. In der Betriebsart Homo­ genbetrieb, in der die Brennkraftmaschine mit stöchiometri­ schem Gemisch betrieben wird, sind zumindest Proportional- und Differentialanteil doppelt ausgeführt. Ein Regler dient zur Verstellung des Zündwinkels, ein anderer zur Verstellung der Füllung (Luftzufuhr). Im Schichtladebetrieb oder im ho­ mogenen Magerbetrieb ist ein Verstellen des Motordrehmoments nur über die Kraftstoffmenge, nicht dagegen über die Luft­ menge möglich. In diesen Betriebsarten unterscheidet sich daher das dynamische Verhalten der Brennkraftmaschine von dem im Homogenbetrieb. Der Zeitpunkt des drehmomentbestim­ menden Eingriffs in Bezug auf den oberen Totpunkt des Zylin­ ders liegt in diesen Betriebsarten anders. Dadurch ergibt sich eine andere Totzeit der Regelstrecke. Außerdem lässt sich durch Verändern der Kraftstoffmenge eine große Drehmo­ mentenänderung wesentlich schneller realisieren als im Homo­ genbetrieb.

Wenigstens ein Parameter des Reglers 24 und/oder 25 wird in Abhängigkeit von einem Betriebsartensignal zwischen ver­ schiedenen Werten (Einzelwerte oder Kennlinien) umgeschal­ tet. Dieses wird je nach aktueller Betriebsart in 30 erzeugt und über die Leitung 32 bzw. 34 dem jeweiligen Regler zur Umschaltung zugeführt. Die Parameterwerte berücksichtigen dabei die optimale Anpassung des Reglers an die sich verän­ dernde Streckendynamik. Insofern wird der Leerlaufregler un­ ter Verwendung von betriebsartenabhängigen Parametersätzen besser an die Streckendynamik angepasst. Neben der Umschal­ tung der Parameterwerte in Abhängigkeit von der Betriebsart sind in einem Ausführungsbeispiel alle Parameterwerte zu­ sätzlich Funktionen der Regelabweichung.

Findet eine Umschaltung der Betriebsart der Brennkraftma­ schine vom Homogenbetrieb in eine der anderen Betriebsarten statt, so wird der Regler 25, welcher den Luftanteil dar­ stellt, abgeschaltet, beispielsweise indem sein Regleraus­ gangssignal oder seine Parameterwerte auf den Wert 0 gesetzt wird. Ferner werden durch das Schaltsignal die Reglerparame­ terwerte des Reglers 24, dort im bevorzugten Ausführungsbei­ spiel des Proportional-, des Integral- und des Differenti­ alanteils, auf die für die neue Betriebsart abgestimmten Werte gesetzt. Zu berücksichtigen als Betriebsart sind vor allem Schichtbetrieb und Homogenmagerbetrieb. Entsprechend wird bei der Umschaltung zwischen Schichtbetrieb und Homo­ genmagerbetrieb verfahren. Auch hier wird eine Parameterwer­ teumschaltung im Regler 24 vorgenommen. Der Regler 25 für den langsamen Eingriff bleibt abgeschaltet. Bei der Umschal­ tung vom Homogenmager- bzw. vom Schichtbetrieb in den Homo­ genbetrieb erfolgt ebenfalls eine Parameterwerteumschaltung im Regler 24, während bei Vorliegen des entsprechenden Akti­ vierungssignals der Regler 25 für den langsamen Anteil im Homogenbetrieb aktiviert wird. Im bevorzugten Ausführungs­ beispiel erfolgt die Aktivierung bzw. Abschaltung des Reg­ lers 25 durch Setzen seines Ausgangssignals auf den Wert 0. Der Regler selbst arbeitet dann in dieser Ausführung auch in anderen Betriebsarten weiter, lediglich sein Ausgangssignal kommt nicht nach außen zur Wirkung.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der beschriebenen Vorge­ hensweise ist anhand des Ablaufdiagramms der Fig. 2 skiz­ ziert, welches ein Programm der Rechnereinheit der Steuer­ einheit 10 darstellt. Das Ablaufdiagramm zeigt spezielle Ausgestaltungen der Regler 24 und 25.

Den Reglern zugeführt wird die Regelabweichung Δ als Abwei­ chung zwischen Ist- und Sollwert (Ist- und Solldrehzahl). Im Regler 24 für den schnellen Eingriffspfad ist ein Integrator 100, eine Verstärkerstufe 102 sowie eine Differentialstufe 104 vorgesehen, während im bevorzugten Ausführungsbeispiel im Regler 25 für den langsamen Pfad eine Verstärkerstufe 106 sowie eine Differentialstufe 108 vorgesehen sind. In anderen Ausführungsbeispielen wird eine andere Ausgestaltung der Regler eingesetzt, so dass die dargestellte Regelstrategie jeweils nur ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel darstellt. Die beschriebene Vorgehensweise der Umschaltung von Parame­ terwerten abhängig von der Betriebsart der Brennkraftmaschi­ ne wird auch bei anderen Reglerstrukturen mit den entspre­ chenden Vorteilen eingesetzt.

Der in Fig. 2 dargestellte Leerlaufregler wird unter Ver­ wendung von betriebsartenabhängigen Parametersätzen besser an die Streckendynamik angepasst. Die Regelabweichung A wird vorzugsweise durch Subtraktion der Solldrehzahl SOLL von der Motoristdrehzahl IST berechnet. Das Ausgangssignal DMLLRI des Integralanteils 100 wird durch Integration der Regelab­ weichung Δ über die Zeit im Integrator 100 und anschließen­ der Verstärkung (Multiplikation) in der Verstärkerstufe 110 gebildet. In der Verstärkerstufe 110 wird das Integratoraus­ gangssignal mit einem Parameter KI multipliziert, welcher je nach aktueller Betriebsart unterschiedliche Werte annimmt. Zur Auswahl der Parameterwerte ist ein Schaltmittel 112 vor­ gesehen, welches in Abhängigkeit des über die Leitung 32 zu­ geführten Betriebsartensignals BDEMOD umgeschaltet wird. Das Signal BDEMOD enthält eine Information über die aktuelle Be­ triebsart der Brennkraftmaschine. Die Multiplikation im Schichtbetrieb findet mit einem Faktor KISCH, im Homogenma­ gerbetrieb mit einem Faktor KIHMM und im Homogenbetrieb mit einem Faktor KIHOM statt. Diese Faktoren sind speziell an das dynamische Verhalten der Regelstrecke in der jeweiligen Betriebsart angepasst. Dabei hat es sich gezeigt, dass im Schichtbetrieb in der Regel kleinere Werte vorzugeben sind als im Homogenbetrieb. Dies gilt entsprechend auch für die anderen Anteile des Reglers 24. Die genannten Werte sind je nach Ausführung entweder Festwerte oder aus Kennlinien be­ triebsgrößenabhängig vorgegebene Werte.

Neben dem Integralanteil ist im bevorzugten Ausführungsbei­ spiel ein Proportionalanteil vorhanden. Dessen Ausgangs­ signal DMLLRP wird in der Verstärkerstufe 102 durch Verknüp­ fung (Multiplikation) der Regelabweichung Δ mit einem Pro­ portionalverstärkungsfaktor KP gebildet. Auch dieser Faktor weist je nach Betriebsart unterschiedliche Werte auf. Diese Auswahl erfolgt mittels eines Schaltmittels 114 nach Maßgabe des Betriebsartensignals BDEMOD. Auch hier werden im Schichtbetrieb ein oder mehrere erster Parameterwerte KPSCH, im Homogenmagerbetrieb ein oder mehrere zweite Werte KPHMM und im Homogenbetrieb dritte Werte KPHOM ausgewählt.

Der Differentialanteil des Reglers 24 wird gebildet durch zeitliche Differenziation der Regelabweichung Δ im Differen­ ziator 104 und anschließender Verknüpfung (Multiplikation) des Ergebnisses der Differenziation in der Verstärkerstufe 116. Dort findet die Verknüpfung des Ergebnisses der Diffe­ renziationsstufe 104 mit einem vorgegebenen Parameter KD statt, welcher je nach aktueller Betriebsart unterschiedli­ che Werte annimmt. Auch hier erfolgt die Auswahl mittels ei­ nes Schaltmittels 118 in Abhängigkeit des oben genannten Be­ triebsartensignals BDEMOD. So wird im Schichtbetrieb ein Pa­ rameterwert KDSCH der Multiplikation zugeführt, im Homogen­ magerbetrieb ein Wert KDHMM und im Homogenbetrieb ein Wert KDHOM. Das Ausgangssignal DMLLRD wird in einer Additions­ stelle 120 mit dem Ausgangssignal DMLLRP des Proportionalan­ teils zum Reglerausgangssignal DMLLR verknüpft. In der dar­ auffolgenden Additionsstelle 122 wird diesem Reglerausgangs­ signal das Ausgangssignal DMLLRI des Integralanteils aufge­ schaltet. Das Ausgangssignal der Stufe 122 bildet das An­ steuersignal τ1, durch welches im Homogenbetrieb eine Ver­ stellung des Zündwinkels und in den Betriebsarten Schichtbe­ trieb und Homogenmagerbetrieb eine Verstellung der einzu­ spritzenden Kraftstoffmasse stattfindet. Das Ansteuersignal τ1 wirkt auf den sogenannten schnellen Pfad, da mit den dar­ gestellten Eingriffsmöglichkeiten eine schnelle Änderung des Drehmoments der Brennkraftmaschine ermöglicht ist.

Der Regler 25 bedient wie oben dargestellt den langsamen Pfad, den Eingriff auf die zugeführte Luftmenge. Dieser Pfad wird nur im Homogenbetrieb zum Einstellen des Drehmoments verwendet, während man in den Magerbetriebsarten wie Schichtbetrieb oder Homogenmagerbetrieb vom Verbrauchsvor­ teil durch Entdrosselung der Brennkraftmaschine profitiert. Daher ist ein Schaltelement 124 vorgesehen, welches von der gezeigten Stellung in seine zweite Stellung umschaltet und damit den Regler 25 nach außen wirksam schaltet, wenn die Betriebsart Homogenbetrieb eingestellt ist. Ein entsprechen­ des Schaltsignal wird über die Leitung 34 zugeführt. In al­ len anderen Betriebsarten nimmt das Schaltelement 124 die gezeigte Stellung ein, so dass als Ausgangssignal τ2 des Reglers 25 der Wert 0 vorliegt. Die Bildung des Regleraus­ gangssignals DMLLRL bzw. τ2 des Reglers 25 erfolgt in der Verstärkerstufe 106 durch Multiplikation der Regelabweichung Δ mit einem Faktor KPLHOM für den Homogenbetrieb. Entspre­ chend wird die Regelabweichung Δ in der Differenziationsstu­ fe 108 differenziert und daraufhin in der Multiplikations­ stufe 126 mit dem Faktor KDLHOM multipliziert. Die Ausgangs­ signale des Proportional- und Differentialanteils werden in der Verknüpfungsstelle 128 zum Reglerausgangssignal DMLLRL zusammengeführt, welches in der Additionsstelle 130 mit dem Ausgangssignal DMLLRI des Integralanteils 100, 110 beauf­ schlagt wird. Das Ausgangssignal der Verknüpfungsstelle 130 bildet das Ausgangssignal τ2 des Reglers 25, welches wie oben gesagt nur in der Betriebsart Homogenbetrieb nach außen wirkt.

Die einzelnen Parameterwerte für die einzelnen Betriebsarten werden an die konkreten Anforderungen der jeweiligen Regel­ strecke angepasst. Die Erfahrung hat gezeigt, dass in vielen Fällen im Schichtbetrieb kleinere Werte vorzugeben sind als in den anderen Betriebsarten.

Anstelle der in Fig. 2 dargestellten konkreten Ausgestal­ tung der Regler wird in anderen Ausführungsbeispielen eine andere Regelstrategie eingesetzt, z. B. kann je nach Ausfüh­ rungsbeispiel auf die Differentialanteile verzichtet werden.

Claims (10)

1. Verfahren zur Regelung einer Betriebsgröße einer Brenn­ kraftmaschine, bei deren Betrieb zwischen wenigstens zwei Betriebsarten umgeschaltet wird, wobei in Abhängigkeit der Abweichung zwischen einem Soll- und einem Istwert für die Betriebsgröße wenigstens ein Reglerausgangssignal nach Maß­ gabe wenigstens eines veränderlichen Parameters gebildet wird, durch welches die zu regelnde Betriebsgröße beein­ flusst wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Wechsel der Betriebsart der Brennkraftmaschine eine Umschaltung des Wertes des wenigstens einen Parameters vorgenommen wird.

2. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine eine Brennkraftmaschine mit Benzindirekteinspritzung ist, bei der zwischen den Betriebsarten Schichtbetrieb, Homogenmagerbe­ trieb und Homogenbetrieb mit Drosselung umgeschaltet wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass das Reglerausgangssignal in der Betriebsart Homogenbetrieb den Zündwinkel, in ungedrosselten Betriebsarten die Kraftstoffzufuhr beeinflusst.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass der Regler einen Integral- und/oder einen Proportional- und/oder einen Differentialan­ teil umfasst.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit eines Signals, welches die aktuelle Be­ triebsart repräsentiert, der Wert des wenigstens einen Para­ meters auf Werte umgeschaltet wird, die auf das Streckenver­ halten in der speziellen Betriebsart angepasst sind.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal im gedrossel­ ten Betrieb die Luftzufuhr zur Brennkraftmaschine beein­ flusst, wobei das Ausgangssignal außerhalb des gedrosselten Betriebs der Brennkraftmaschine unwirksam geschaltet wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Parameter ferner abhängig von der Regelabweichung ist.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass die Werte des wenigstens ei­ nen Parameters von der Betriebsart abhängige Festwerte oder aus nach Maßgabe der Betriebsart ausgewählten Kennlinien ge­ bildete betriebsgrößenabhängige Werte sind.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass der Regler ein Leerlaufdrehzahl­ regler oder eine Fahrgeschwindigkeitsregler ist.

10. Vorrichtung zur Regelung einer Betriebsgröße einer Brennkraftmaschine, bei deren Betrieb zwischen wenigstens zwei Betriebsarten umgeschaltet wird, mit einem Regler, wel­ cher in Abhängigkeit der Abweichung zwischen einem Soll- und einem Istwert für die Betriebsgröße wenigstens ein Regler­ ausgangssignal nach Maßgabe wenigstens eines veränderlichen Parameters bildet, wobei das Ausgangssignal die Betriebsgrö­ ße beeinflusst, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler fer­ ner ein die aktuelle Betriebsart kennzeichnendes Signal emp­ fängt und in Abhängigkeit dieses Signals eine Umschaltung des Wertes des wenigstens einen Parameters vorgenommen wird.