DE102004035317B4 - Method and device for controlling an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine mit einem Steller (104) zur Beeinflussung des Frischluftmassenstroms und einem Steller (118) zur Beeinflussung des der Brennkraftmaschine zugeführten Abgasrückführmassenstroms, wobei ausgehend von einem Vergleich zwischen einem Sollwert und einem Istwert für den Frischluftmassenstrom und den Abgasrückführmassenstrom mittels jeweils eines Reglers (220, 320) die Stellgrößen für die Steller (104, 118) vorgebbar ist, wobei den Stellgrößen jeweils ein modellbasierter Vorsteuerwert überlagert wird, der mittels eines Modells vorgebbar ist, wobei das Modell wenigstens ein erstes Teilmodell (230) für eine Mischstelle von Frischluftmassenstrom und Abgasrückführmassenstrom und zweite Teilmodelle (235, 335) für die Steller (104, 118) beinhaltet.A method for controlling an internal combustion engine with an actuator (104) for influencing the fresh air mass flow and an actuator (118) for influencing the exhaust gas recirculation mass flow supplied to the internal combustion engine, based on a comparison between a setpoint and an actual value for the fresh air mass flow and the exhaust gas recirculation mass flow by means of a controller (220, 320) the manipulated variables for the actuators (104, 118) can be specified, the manipulated variables each being superimposed with a model-based pre-control value that can be specified by means of a model, the model at least one first partial model (230) for a mixing point of fresh air mass flow and exhaust gas recirculation mass flow and second partial models (235, 335) for the actuators (104, 118).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine.The invention relates to a method and a device for controlling an internal combustion engine.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine ist beispielsweise aus der
In bestimmten Betriebszuständen ist eine genaue Einstellung sowohl des Frischluftmassenstroms als auch des Anteils des rückgeführten Abgases erforderlich. Hierzu müssen sowohl das Abgasrückführventil als auch die Regelklappe geregelt betrieben werden. Ein solcher Betriebszustand liegt beispielsweise bei der Regeneration eines Abgasnachbehandlungssystems vor, beispielsweise bei der Regeneration eines NOx-Speicherkatalysators.In certain operating states, precise setting of both the fresh air mass flow and the proportion of the recirculated exhaust gas is necessary. For this purpose, both the exhaust gas recirculation valve and the control flap must be operated in a controlled manner. Such an operating state occurs, for example, during the regeneration of an exhaust gas aftertreatment system, for example during the regeneration of a NOx storage catalytic converter.
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Üblicherweise erfolgt eine Regelung des Saugrohrdrucks, das heißt des Drucks vor dem Einlass in die Brennkraftmaschine. Die Regelung des Saugrohrdrucks über das Abgasrückführventil basiert auf der Annahme, dass der Saugrohrdruck unabhängig von der Stellung der Regelklappe immer steigt, wenn das Abgasrückführventil weiter geöffnet wird. Dies gilt aber nur, wenn die Regelklappe so weit angestellt ist, dass sich ein deutliches Druckgefälle über die Regelklappe einstellt. Ab einem bestimmten Öffnungswinkel der Regelklappe kann sich dieser Effekt jedoch umkehren. Wird in diesem Fall das Abgasrückführventil geöffnet, fließt mehr Abgas über die Abgasrückführleitung und damit weniger Massenstrom über die Turbine. Aus diesem Grund fördert der Verdichter weniger und der Druck nach Verdichter wird kleiner. Dies wiederum bewirkt, dass auch der Saugrohrdruck sinkt. Zusammengefasst bedeutet dies, dass sich der Regelsinn der Saugrohrdruckregelung mittels des Abgasrückführventils abhängig vom Öffnungswinkel der Regelklappe ändern kann. Dieses Verhalten kann der Regler nicht kompensieren und damit auch den Sollwert nicht einregeln.The intake manifold pressure, that is to say the pressure upstream of the intake into the internal combustion engine, is usually regulated. The regulation of the intake manifold pressure via the exhaust gas recirculation valve is based on the assumption that the intake manifold pressure always increases, regardless of the position of the control flap, if the exhaust gas recirculation valve is opened further. However, this only applies if the control flap is set so far that there is a significant pressure drop across the control flap. However, this effect can be reversed from a certain opening angle of the control valve. If the exhaust gas recirculation valve is opened in this case, more exhaust gas flows through the exhaust gas recirculation line and thus less mass flow through the turbine. For this reason, the compressor delivers less and the pressure downstream of the compressor is lower. This in turn causes the intake manifold pressure to drop. In summary, this means that the control direction of the intake manifold pressure control by means of the exhaust gas recirculation valve can change depending on the opening angle of the control flap. The controller cannot compensate for this behavior and thus cannot adjust the setpoint either.
Es stellt sich die Aufgabe eine möglichst genaue Regelung des Saugrohrdrucks zu erreichen, dessen Applikation und/oder Adaption möglichst einfach ist.The task is to achieve the most precise possible regulation of the intake manifold pressure, the application and / or adaptation of which is as simple as possible.
Bei üblichen Reglerstrukturen muss bei der Applikation immer zwischen einem guten Führungsverhalten und einem guten Störverhalten abgewogen werden. Dadurch, dass ein erster Steller zur Beeinflussung des der Brennkraftmaschine zugeführten Frischluftmassenstroms und/oder des Abgasrückführmassenstroms vorgesehen ist, wobei ausgehend von einem Vergleich zwischen einem Sollwert und einem Istwert für den Frischluftmassenstrom und/oder den Abgasrückführmassenstrom mittels eines Reglers wenigstens eine Stellgröße für den wenigstens einen Steller vorgebbar ist, und dass der wenigstens einen Stellgröße ein modellbasierter Vorsteuerwert überlagert wird, muss der Regler nur noch geringe Abweichungen ausregeln. D. h. der Regler kann auf gutes Störverhalten appliziert werden.With conventional controller structures, a balance must always be found between good control behavior and good disruptive behavior. In that a first actuator is provided for influencing the fresh air mass flow supplied to the internal combustion engine and / or the exhaust gas recirculation mass flow, based on a comparison between a setpoint and an actual value for the fresh air mass flow and / or the exhaust gas recirculation mass flow using a controller at least one manipulated variable for the at least one Actuator can be specified, and that a model-based precontrol value is superimposed on the at least one manipulated variable, the controller only needs to regulate minor deviations. I.e. the controller can be applied to good disturbance behavior.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein erster Steller, der den der Brennkraftmaschine zugeführten Frischluftmassenstrom beeinflusst, und ein zweiter Steller, der den Abgasrückführmassenstrom beeinflusst vorgesehen sind, wobei ausgehend von einem Vergleich zwischen einem ersten Sollwert und einem ersten Istwert für den Frischluftmassenstrom eine erste Stellgröße für den ersten Steiler und dass ausgehend von einem Vergleich zwischen einem zweiten Sollwert und einem zweiten Istwert für den Frischluftmassenstrom eine zweite Stellgröße für den zweiten Steller vorgebbar ist, und dass wenigstens einer Stellgröße ein modellbasierter Vorsteuerwert überlagert wird. Das heißt, dass jeweils ein Regler für die Frischluftmassenstrom und ein Regler für den Abgasrückführmassenstrom vorgesehen sind und wenigstens einem der Regler zusätzlich eine Vorsteuerung zugeordnet ist.It is particularly advantageous if a first actuator, which influences the fresh air mass flow supplied to the internal combustion engine, and a second actuator, which influences the exhaust gas recirculation mass flow, are provided, based on a comparison between a first setpoint and a first actual value for the fresh air mass flow the first steeper and that based on a comparison between one second setpoint value and a second actual value for the fresh air mass flow, a second manipulated variable for the second actuator can be specified, and that a model-based precontrol value is superimposed on at least one manipulated variable. This means that a controller for the fresh air mass flow and a controller for the exhaust gas recirculation mass flow are provided and at least one of the controllers is additionally assigned a pilot control.
Dadurch, dass der Vorsteuerwert mittels eines Modells vorgebbar ist, kann der Vorsteuerwert sehr genau vorgegeben werden.Because the pre-control value can be specified by means of a model, the pre-control value can be specified very precisely.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Modell wenigstens ein erstes Teilmodell für eine Mischstelle und/oder ein zweites Teilmodell für den Steller beinhaltet. Als Mischstelle wird der Raum zwischen dem Einlass der Brennkraftmasche und den beiden Stellern bezeichnet. Bei den Stellern handelt es sich vorzugsweise um die Regelklappe und das Abgasrückführventil. Durch die Aufteilung des Modells wird die Adaption des Modells deutlich vereinfacht.It is particularly advantageous if the model contains at least a first partial model for a mixing point and / or a second partial model for the actuator. The space between the inlet of the internal combustion engine and the two actuators is referred to as the mixing point. The actuators are preferably the control flap and the exhaust gas recirculation valve. The adaptation of the model is significantly simplified by dividing the model.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das erste Teilmodell für die Mischsteller die Temperatur T3 nach dem Auslass der Brennkraftmaschine, die Temperatur T21 vor dem Steller, die Drehzahl N, die Sollwerte für Frischluftmassenstrom und Abgasrückführmassenstroms verarbeitet. Diese Größen wirken sich wesentlich auf die Vorsteuerwerte aus. Zur Steigerung der Genauigkeit können noch weitere Größen berücksichtigt werden.It is particularly advantageous if the first partial model for the mixer controls processes the temperature T3 after the exhaust of the internal combustion engine, the temperature T21 before the actuator, the speed N, the setpoint values for the fresh air mass flow and the exhaust gas recirculation mass flow. These variables have a significant effect on the pre-control values. Additional parameters can be taken into account to increase the accuracy.
Vorteilhaft ist es, wenn das zweite Teilmodell zur Vorgabe der Stellgröße für den Frischluftmassenstrom als Eingangsgrößen wenigstens einen Druck P22 im Saugrohr und den Sollwert für Frischluftmassenstroms verarbeitet. Diese Größen wirken sich wesentlich auf den Vorsteuerwert aus. Zur Steigerung der Genauigkeit können noch weitere Größen berücksichtigt werden.It is advantageous if the second partial model for specifying the manipulated variable for the fresh air mass flow processes at least one pressure P22 in the intake manifold and the setpoint value for the fresh air mass flow as input variables. These variables have a significant effect on the pre-control value. Additional parameters can be taken into account to increase the accuracy.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das zweite Teilmodell (235) zur Vorgabe der Stellgröße für den Frischluftmassenstrom als Eingangsgrößen wenigstens Temperatur T21 und/oder einen Druck P21 vor dem Steller und nach dem Verdichter und/oder einen Sollluftmassmassenstrom MA verarbeitet. Diese Größen wirken sich wesentlich auf den Vorsteuerwert aus. Zur Steigerung der Genauigkeit können noch weitere Größen berücksichtigt werden.It is particularly advantageous if the second partial model (235) processes at least temperature T21 and / or a pressure P21 upstream of the actuator and downstream of the compressor and / or a setpoint air mass flow MA as input variables to specify the manipulated variable for the fresh air mass flow. These variables have a significant effect on the pre-control value. Additional parameters can be taken into account to increase the accuracy.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das zweite Teilmodell 335 zur Vorgabe der Stellgröße für den Abgasrückführmassenstrom als Eingangsgrößen wenigstens eine Temperatur T3 und/oder einen Druck P3 des Abgases nach Auslass der Brennkraftmaschine und vor der Turbine und/oder einen Sollabgasmassenstrom MR verarbeitet. Diese Größen wirken sich wesentlich auf den Vorsteuerwert aus. Zur Steigerung der Genauigkeit können noch weitere Größen berücksichtigt werden.It is particularly advantageous if the
Dadurch dass der Sollwert an das zeitliche Verhalten des Regelkreises angepasst wird, kann das Verhalten des Reglers und der Vorsteuerung deutlich verbessert werden.By adapting the setpoint to the behavior of the control loop over time, the behavior of the controller and the precontrol can be significantly improved.
Dadurch dass der Istwert mittels eines zweiten Modells vorgebbar ist, können kostenintensive Sensoren zur Ermittlung des Istwerts eingespart werden.Because the actual value can be specified using a second model, cost-intensive sensors for determining the actual value can be saved.
Dadurch, dass der Regler in bestimmten Betriebszuständen abschaltbar ist verbessert sich das Verhalten des Systems deutlich.The fact that the controller can be switched off in certain operating states improves the behavior of the system significantly.
Zeichnungdrawing
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen erläutert. Es zeigt
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1 ein Blockdiagramm einer Brennkraftmaschine und -
2 ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Vorgehensweise.
-
1 a block diagram of an internal combustion engine and -
2 a block diagram of the procedure according to the invention.
Im Folgenden wird die erfindungsgemäße Vorgehensweise am Beispiel einer Regelklappe und eines Abgasrückführventils beschrieben. Prinzipiell ist die erfindungsgemäße Vorgehensweise auf alle Steller anwendbar, mit denen der Frischluftmassenstrom bzw. der Abgasrückführmassenstrom beeinflusst werden kann. Anstelle des Frischluftmassenstroms bzw. des Abgasrückführmassenstroms können auch andere Größen, die diesen Größen entsprechen, geregelt und/oder gesteuert werden. D. h. bei den Sollwerten bzw. den Istwerten handelt es sich um Größen, die den Frischluftmassenstrom bzw. den Abgasrückführmassenstrom charakterisieren. Bei den Stellgrößen handelt es sich um geeignete Größen zur Ansteuerung der entsprechenden Steller.The procedure according to the invention is described below using the example of a control flap and an exhaust gas recirculation valve. In principle, the procedure according to the invention can be applied to all actuators with which the fresh air mass flow or the exhaust gas recirculation mass flow can be influenced. Instead of the fresh air mass flow or the exhaust gas recirculation mass flow, other variables that correspond to these variables can also be regulated and / or controlled. I.e. The setpoint values or the actual values are variables that characterize the fresh air mass flow or the exhaust gas recirculation mass flow. The manipulated variables are suitable variables for controlling the corresponding actuator.
Im folgenden wird die erfindungsgemäße Vorgehensweise am Beispiel einer Dieselbrennkraftmaschine beschrieben. Die Erfindung ist aber nicht auf die Anwendung bei Dieselbrennkraftmaschinen beschränkt, sie kann auch bei anderen Brennkraftmaschinen, insbesondere bei direkteinspritzenden Benzinbrennkraftmaschinen verwendet werden.The procedure according to the invention is described below using the example of a diesel internal combustion engine. However, the invention is not restricted to use in diesel internal combustion engines; it can also be used in other internal combustion engines, in particular in direct-injection gasoline internal combustion engines.
Einer Brennkraftmaschine 100 wird über eine Hochdruckfrischluftleitung 102 eine bestimmte Gasmenge ML22, die einen bestimmten Sauerstoffanteil MO22 enthält, zugeführt. Die Größe MO22 wird auch als Sauerstoffanteil vor der Verbrennung bezeichnet. Die Hochdruckfrischluftleitung 102 besteht aus zwei Teilen. Ein erster Teil ist mit 102a bezeichnet, ein zweiter ist mit 102b bezeichnet. Der erste Teil entspricht der Leitung bis zur Abgaszumischung. Der zweite Teil 102b entspricht der Leitung nach der Abgaszumischung. In dem ersten Teil 102a ist eine Regelklappe 104 angeordnet. Die Luft in dem ersten Teil der Hochdruckfrischluftleitung 102a besitzt eine Temperatur T2 und einen Druck P2. Durch diesen Teil der Hochdruckfrischluftleitung bzw. durch die Regelklappe strömt der Frischluftmassenstrom MA.An internal combustion engine 100 is supplied with a certain amount of gas ML22, which contains a certain oxygen content MO22, via a high pressure fresh air line 102. The size MO22 is also known as the percentage of oxygen before combustion. The high pressure fresh air line 102 consists of two Divide. A first part is designated 102a, a second is designated 102b. The first part corresponds to the line up to the exhaust gas admixture. The
Über eine Niederdruckfrischluftleitung 108 gelangt die Umgebungsluft zu einem Verdichter 106 und strömt dann über die Regelklappe 104 in die Hochdruckfrischluftleitung 102. Über den Verdichter strömt die Luftmenge ML21 mit dem Sauerstoffanteil MO21 in die Hochdruckfrischluftleitung 102. Die Luftmenge ML21 mit dem Sauerstoffanteil MO21, die durch die Niederdruckfrischluftleitung 108 strömt, entspricht im statischen Zustand der Luftmenge mit dem entsprechenden Sauerstoffanteil, die durch den Verdichter 106 bzw. durch die Regelklappe 104 strömt. Zwischen dem Verdichter 106 und der Regelklappe herrscht der Druck P21 und die Temperatur T21.The ambient air reaches a
Die Temperatur T1 und der Druck P1, der in der Niederdruckfrischluftleitung 108 herrscht, entspricht den Umgebungsbedingungen, d.h. dem Umgebungsdruck und der Umgebungstemperatur.The temperature T1 and the pressure P1 prevailing in the low-pressure
Von der Brennkraftmaschine 100 strömt die Luftmenge ML31 mit dem Sauerstoffanteil MO31 in eine Hochdruckabgasleitung 110. Die Größe MO31 wird auch als Sauerstoffanteil nach der Verbrennung bezeichnet. In der Hochdruckabgasleitung 110 herrscht die Temperatur T3 und der Druck P3. Diese Werte werden auch als Abgasdruck P3 und Abgastemperatur T3 bezeichnet.The amount of air ML31 with the oxygen component MO31 flows from the internal combustion engine 100 into a high-pressure
Eine Luftmenge ML32 gelangt von der Hochdruckabgasleitung 110 zu einer Turbine 112, diese wird auch als Luftmenge über die Turbine bezeichnet. Von der Turbine 112 gelangt das Abgas in eine Niederdruckabgasleitung 114, die auch als Auspuffleitung 114 bezeichnet wird. In der Niederdruckabgasleitung herrscht Temperatur T4 und der Druck P4.A quantity of air ML32 reaches a
Die Turbine 112 treibt über eine Welle 111 den Verdichter 106 an. Die Drehzahl NL der Welle wird als Laderdrehzahl bezeichnet. Mittels eines Laderstellers 113 kann die Charakteristik der Turbine und damit des gesamten Laders beeinflußt werden. Zur Ansteuerung wird der Ladersteller 113 mit einem Ansteuersignal LTV beaufschlagt, das eine Verstellung des Laders um einen Hub LH zur Folge hat. Die Größe LH wird auch als Laderhub und die Größe LTV als Ladertastverhältnis bezeichnet.The
Zwischen der Hochdruckabgasleitung 110 und der Hochdruckfrischluftleitung 102 besteht eine Verbindung, die als Abgasrückführleitung 116 bezeichnet ist. Durch diese Abgasrückführleitung 116 strömt die Luftmenge MR, die den Sauerstoffanteil MOA beinhaltet. Der Querschnitt der Abgasrückführleitung 116 ist vorzugsweise mittels eines Abgasrückführventils 118 steuerbar. Zur Ansteuerung wird der Abgasrückführsteller 119 einem Ansteuersignal ATV beaufschlagt, das eine Verstellung des Abgasrückführventils 118 um einen Hub AH zur Folge hat. Die Größe AH wird auch als Abgasrückführhub und die Größe ATV als Abgasrückführtastverhältnis bezeichnet.A connection, which is referred to as exhaust
Vorzugsweise wird die Drehzahl N an der Kurbel- und/oder der Nockenwelle der Brennkraftmaschine mittels eines Drehzahlsensors 101 erfasst. Des weiteren sind Mengenstellglieder 103 vorgesehen, die die einzuspritzende Kraftstoffmenge ME, die der Brennkraftmaschine zugeführt wird, bestimmen. Hierzu werden die Stellglieder 103 mit einem Mengensignal ME beaufschlagt.The speed N at the crankshaft and / or the camshaft of the internal combustion engine is preferably detected by means of a
In
Das Ausgangssignal der Istwertermittlung 200 gelangt über einen Verknüpfungspunkt 205 zu einem Regler 220. Mit dem Ausgangssignal des Reglers 220 wird ein Verknüpfungspunkt 225 beaufschlagt, der wiederum die Regelklappe 104 mit einer Stellgröße beaufschlagt. Am zweiten Eingang des Verknüpfungspunktes 205 liegt mit negativen Vorzeichen das Ausgangssignal eines Sollwertfilters 210, dem wiederum als Eingang das Ausgangssignal einer Sollwertvorgabe 215 zugeführt wird. Die Sollwertvorgabe 215 gibt den gewünschten Sollwert für den Frischluftmassenstrom MA abhängig von verschiedenen Betriebskenngrößen und verschiedenen Betriebszuständen vor. Das Ausgangssignal des Sollwertfilters 210 gelangt ferner zu einem Modell 230 der Mischstelle. Das Modell 230 verarbeitet ferner das Ausgangssignal verschiedener Sensoren 232, die Signale bezüglich der Temperatur T3 zwischen dem Auslass der Brennkraftmaschine und dem Eingang der Turbine, der Temperatur T21 zwischen dem Auslass des Verdichters und der Regelklappe und der Drehzahl N erfassen. Neben diesen Sensoren können noch weitere Sensorsignale erfasst und von dem Modell 230 ausgewertet werden.The output signal of the
Mit dem Ausgangssignal des Modells 230 wird ein inverses Modell 235 der Regelklappe beaufschlagt. Das Modell 230 liefert Signale bezüglich des Frischluftmassenstroms MA und des Druckes P22, der dem Druck vor dem Einlass der Brennkraftmaschine entspricht, an das inverse Modell 235. Ferner werden dem inversen Modell 235 die Signale verschiedener Sensoren 240, die den Druck P21 und die Temperatur T21 zwischen dem Auslass des Verdichters und der Regelklappe 104 charakterisieren, zugeführt. Anstelle der Sensoren 240 kann auch ein Modell vorgesehen sein, das diese Größen ausgehend von anderen Größen ermittelt. Über eine Kennlinie 245 gelangt das Ausgangssignal des inversen Modells 235 zum Verknüpfungspunkt 225. Das Modell 230, in Verbindung mit dem inversen Modell 235 und der Kennlinie 245 wirken als Vorsteuerung für die Stellgröße der Regelklappe 104.The output signal of the
Ein paralleler Zweig für die Regelung des Abgasrückführmassenstroms MR ist mit entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet. Dem Abgasrückführventil 118 wird das Ausgangssignal eines Verknüpfungspunktes 325 zugeleitet, an dessen einen Eingang das Ausgangssignal eines Reglers 320 ansteht. Dem Regler 320 wird das Ausgangssignal des Verknüpfungspunktes 305 zugeleitet, der wiederum als Eingangsgröße das Ausgangssignal einer Istwertermittlung 300 zugeführt wird. Die Istwertermittlung 300 ist ähnlich gestaltet wie die Istwertermittlung 200, d. h. sie kann als Sensor oder als Modell ausgebildet sein. Die Sollwertvorgabe 315 gibt einen Sollwert für den Abgasrückführmassenstrom vor, der über einen Sollwertfilter 310 ebenfalls zu dem Verknüpfungspunkt 305 bzw. zu dem Modell 230 gelangt. Anstelle des Abgasrückführmassenstroms kann auch die Abgasrückführrate als Sollwert vorgegeben werden. Das Modell 230 beaufschlagt ein zweites inverses Modell 335 mit einem Signal das den Abgasrückführmassenstrom MR und den Druck P22 vor dem Einlass der Brennkraftmaschine charakterisiert. Ferner verarbeitet das inverse Modell 335 Signale von Sensoren 340, insbesondere des Druckes P3 und der Temperatur T3 zwischen dem Auslass der Brennkraftmaschine und Eingang der Turbine. Anstelle der Sensoren 340 kann auch ein Modell vorgesehen sein, das diese Größen ausgehend von anderen Größen ermittelt. Über eine zweite Kennlinie 345 gelangt das Ausgangssignal des zweiten inversen Modells 335 zu dem Verknüpfungspunkt 325.A parallel branch for regulating the exhaust gas recirculation mass flow MR is denoted by corresponding reference symbols. The exhaust
Der Regler 220 regelt den Frischluftmassenstrom MA auf den von der Sollwertvorgabe 215 vorgegebenen Sollwert ein. Dazu wird der Istwert, der von der Istwertermittlung 200 bereitgestellt wird, mit dem gefilterten Sollwert verglichen. Ausgehend von der Abweichung des Sollwerts vom Istwert wird dann die Stellgröße zur Beaufschlagung der Regelklappe 104 vom Regler 220 vorgegeben. Die Istwertermittlung 200 kann dabei als Sensor, der den Frischluftmassenstrom unmittelbar ermittelt, oder als Modell, wie es beispielsweise aus der
Dieser Regelung ist eine Vorsteuerung überlagert. Die Vorsteuerung beinhaltet im Wesentlichen ein Modell, das ausgehend von dem Sollwert für die Frischluftmasse eine Stellgröße für die Regelklappe 104 vorgibt. Das Modell beinhaltet wenigstens zwei Teilmodelle. Ein Teilmodell 230 bildet die Mischstelle nach, d. h. den Bereich zwischen dem Abgasrückführventil, der Regelklappe 104 und dem Einlass der Brennkraftmaschine. Ein weiteres Teilmodell 235 beinhaltet ein inverses Modell der Regelklappe 104. Mittels der Kennlinie 245 wird dieses Ausgangssignal des Modells, das der gewünschten effektiven durchströmten Fläche der Regelklappe entspricht, in eine Stellgröße für die Regelklappe 104 umgesetzt.A precontrol is superimposed on this regulation. The pilot control essentially contains a model which, based on the setpoint value for the fresh air mass, specifies a manipulated variable for the regulating
Dies bedeutet, die Vorsteuerung berechnet ausgehend von dem Sollwert für die Frischluftmasse MA und verschiedenen Betriebskenngrößen, insbesondere Temperatur und Druckgrößen, eine gewünschte effektiv durchströmte Fläche der Regelklappe und damit einen Vorsteuerwert. Die Regelung berechnet ausgehend von der Abweichung des Sollwerts vom Istwerts der Frischluftmasse ebenfalls eine Stellgröße für die Regelklappe. Diese beiden Größen werden im Verknüpfungspunkt vorzugsweise additiv zur Bildung der Stellgröße überlagert.This means that the precontrol calculates, on the basis of the target value for the fresh air mass MA and various operating parameters, in particular temperature and pressure variables, a desired effectively flowed through area of the regulating flap and thus a precontrol value. Based on the deviation of the setpoint from the actual value of the fresh air mass, the control also calculates a manipulated variable for the control flap. These two variables are preferably superimposed additively at the point of connection to form the manipulated variable.
Ein entsprechender Regelkreis mit einer Vorsteuerung ist auch für den Abgasrückführmassenstrom MR vorgesehen. Hier gibt die Sollwertvorgabe 315 einen entsprechenden Sollwert vor, der in dem Filter 310 gefiltert und im Verknüpfungspunkt 305 mit dem Istwert der Istwertermittlung 300 verglichen wird. Als Istwertermittlung 300 wird vorzugsweise ebenfalls ein Sensor verwendet, der den Abgasrückführmassenstrom unmittelbar erfasst. Da solche Sensoren in der Regel sehr teuer und aufwändig sind und kostengünstig nicht zur Verfügung stehen, wird hier ebenfalls in einer bevorzugten Ausführungsform ein Modell, das dem Modell der Istwertermittlung entspricht, verwendet, das diese Größen ausgehend von weiteren Betriebskenngrößen ermittelt. Abhängig von der Abweichung zwischen dem Soll- und dem Istwert berechnet der Regler 320 die Stellgröße zur Ansteuerung des Abgasrückführventils 118.A corresponding control loop with a pilot control is also provided for the exhaust gas recirculation mass flow MR. Here,
Ferner ist eine Vorsteuerung vorgesehen, die ausgehend von dem Sollwert ebenfalls mittels eines Modells einen Vorsteuerwert vorgibt. Das Modell beinhaltet das erste Teilmodell, das die Mischstelle modelliert, und einem inversen Modell des Abgasrückführventils. An das Modell schließt sich eine Kennlinie an.Furthermore, a precontrol is provided which, based on the setpoint value, also specifies a precontrol value using a model. The model contains the first partial model that models the mixing point and an inverse model of the exhaust gas recirculation valve. A characteristic curve is attached to the model.
Dies bedeutet, ausgehend von einem Vergleich zwischen einem ersten Sollwert, der den Frischluftmassenstrom charakterisiert und einem ersten Istwert, wird eine Stellgröße für den ersten Steller, der vorzugsweise als Regelklappe ausgebildet ist, vorgegeben. Ferner wird ausgehend von dem Vergleich zwischen einem zweiten Sollwert, der den Abgasrückführmassenstrom charakterisiert und einem zweiten Istwert eine Stellgröße für den zweiten Steller, der vorzugsweise als Abgasrückführventil ausgebildet ist, vorgegeben.This means that, based on a comparison between a first setpoint value, which characterizes the fresh air mass flow, and a first actual value, a manipulated variable is specified for the first actuator, which is preferably designed as a control flap. Furthermore, based on the comparison between a second setpoint, which characterizes the exhaust gas recirculation mass flow, and a second actual value, a manipulated variable for the second actuator, which is preferably designed as an exhaust gas recirculation valve, is specified.
D. h. es ist eine parallele Struktur vorgesehen, bei der jeweils ein Sollwert für den Frischluftmassenstrom bzw. ein Sollwert für den Abgasrückführmassenstrom auf den vorgegebenen Sollwert eingeregelt wird. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist dabei vorgesehen, dass der Stellgröße, die von der Regelung ermittelt wird, ein Vorsteuerwert überlagert wird. Bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass zur Bildung des Vorsteuerwerts der Sollwert verwendet wird, der auch dem Regelkreis zugeführt wird. Zur Bildung der Vorsteuerwerte wird ein Modell verwendet, das wenigstens ein erstes oder ein zweites Teilmodell beinhaltet, die die Mischstelle modellieren bzw. ein inverses Modell des Stellers darstellen. Entsprechend ist bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen, dass die Istwertermittlung ebenfalls als Modell ausgebildet ist, die den Istwert ausgehend von verschiedenen Betriebskenngrößen ermittelt.I.e. a parallel structure is provided in which a setpoint value for the fresh air mass flow or a setpoint value for the exhaust gas recirculation mass flow is adjusted to the specified setpoint. In a preferred embodiment, it is provided that the manipulated variable, which is determined by the regulation, is superimposed with a pre-control value. It is preferably provided here that the setpoint value that is also fed to the control loop is used to form the pilot control value. To form the pilot control values, a model is used which contains at least a first or a second partial model that model the mixing point or represent an inverse model of the actuator. Accordingly, in a particularly advantageous embodiment, it is provided that the actual value determination is also designed as a model that determines the actual value on the basis of various operating parameters.
Bevorzugt wird als Sollwert der Abgasrückführmassenstrom, d. h. der Massenstrom, der über das Abgasrückführventil fließt, als Sollwert vorgegeben und der Istwert auf diesen vorgegebenen Sollwert eingeregelt. Alternativ kann als Sollwert auch die Abgasrückführrate vorgegeben und auf den Sollwert eingeregelt werden.The exhaust gas recirculation mass flow, d. H. the mass flow that flows through the exhaust gas recirculation valve is specified as the setpoint and the actual value is adjusted to this specified setpoint. Alternatively, the exhaust gas recirculation rate can also be specified as the setpoint and adjusted to the setpoint.
Vorteilhaft ist, dass für den Frischluftmassenstrom und für den Abgasrückführmassenstrom jeweils ein Regelkreis vorgesehen ist, wobei dieser Regelkreis zum Einen einen Regler und zum Anderen eine Vorsteuerung beinhaltet. D. h. die beiden Größen werden unabhängig voneinander jeweils auf einen Sollwert eingeregelt.It is advantageous that a control loop is provided for the fresh air mass flow and for the exhaust gas recirculation mass flow, this control loop containing a controller on the one hand and a pilot control on the other. I.e. the two variables are each adjusted to a setpoint independently of one another.
Erfindungsgemäß ist die Vorsteuerung derart ausgebildet, dass sie die zeitlichen Verläufe der Stellgröße für die Regelklappe und das Abgasrückführventil so vorgeben, dass das System allein durch diese Vorsteuerung in der Lage ist, den Sollwertänderungen zu folgen. D. h. im Extremfall kann auf den Regler 220 und 320 völlig verzichtet werden bzw. er kann in bestimmten Betriebszuständen abgeschaltet werden. Wesentlich zum Erfolg der Vorsteuerung trägt das Modell, mit dem der Sollwert in die Stellgröße umgesetzt wird, bei. Das Modell umfasst ein Modell für die Mischstelle von Frischluft und Abgasrückführung, was als Behälter mit dem Volumen V22 und dem Druck P22 betrachtet wird. Ferner sind Teilmodelle vorgesehen, die das Abgasrückführventil und die Regelklappe als Drosseln abbilden. Als wesentliche Eingangsgröße für diese Modelle sind der Druck P3 nach dem Auslass der Brennkraftmaschine und vor der Turbine, der Druck P21 vor der Regelklappe und nach dem Verdichter der Druck P22 im Saugrohr, d. h. zwischen dem Einlass der Brennkraftmaschine und dem Abgasrückführventil bzw. der Regelklappe, der Temperatur T3 nach dem Auslass der Brennkraftmaschine, dem Sollwert für die Abgasrückführrate bzw. den Abgasrückführmassenstrom und im Sollwert für den Luftmassenstrom.According to the invention, the pre-control is designed in such a way that it specifies the temporal progressions of the manipulated variable for the control flap and the exhaust gas recirculation valve in such a way that the system is able to follow the setpoint changes solely through this pre-control. I.e. In extreme cases, the
Die Größen P3, P21, P22, T21 und T3 können sowohl mit Sensoren unmittelbar gemessen oder mittels eines Modells ausgehend von anderen Betriebskenngrößen berechnet werden. Als Modell eignet sich vorzugsweise ein in der
Die Sollwertvorgabe 215 bzw. 315 gibt den Sollwert für die entsprechende Stellgröße abhängig von verschiedenen Betriebsparametern und Betriebszuständen vor. Bei einer Änderung einer Betriebsgröße bzw. bei einem Umschalten in einen anderen Betriebszustand ergibt sich in der Regel ein unstetiger Verlauf des Sollwertes. Einem solchen unstetigen oder sprungförmigen Verlaufs des Sollwertes kann die entsprechende Größe in der Regel nicht folgen. Dies führt dazu, dass eine Regelabweichung auftritt, die der Regler auszuregeln versucht. Insgesamt führt dies zu einem unerwünschten Verhalten des Reglers. Deshalb ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Sollwertfilter 210 bzw. 310 die Sollwertvorgabe derart filtern, dass sich ein stetiger Verlauf des Sollwertes ergibt und dass das Gesamtsystem diesen Vorgaben zu jeder Zeit folgen kann. D. h. das zeitliche Verhalten des Sollwertes wird durch den Sollwertfilter an das zeitliche Verhalten des Gesamtsystems bzw. an das zeitliche Verhalten der Stellgröße angepasst. D. h. der Sollwertfilter 210 bzw. 310 erzeugt einen dynamisch verschliffenen Verlauf des Sollwerts. Ferner stellt der Filter die zeitliche Ableitung dieser Größe bereit.The
Das Modell 230 berechnet aus verschiedenen Eingangsgrößen den gewünschten Frischluftmassenstrom sowie den Druck P22 im Saugrohr. Als Eingangsgrößen verwendet das Modell 230 die Temperatur T3, die Temperatur T21vor der Regelklappe, den dynamisch verschliffenen Sollluftmassenstrom, die zeitliche Ableitung des dynamisch verschliffenen Sollluftmassenstroms, die dynamisch verschliffene Abgasrückführrate, die zeitliche Ableitung der dynamisch verschliffenen Abgasrückführrate sowie die Motordrehzahl. Ausgehend von diesen Größen berechnet das Modell 230 den Sollluftmassenstrom ML über die Regelklappe 104, den Sollabgasmassenstrom über das Abgasrückführventil und den Solldruck P22 im Mischbehälter.The
Die inversen Modelle 235 und 335 berechnen aus dem gewünschten Sollmassenstrom , der über die Drossel strömen soll, die effektiv durchströmte Fläche der jeweiligen Drossel. Dazu wird der Druck und/oder die Temperatur vor der Drossel sowie der Druck und/oder die Temperatur nach der Drossel verwendet. Die Eingangsgrößen für das Modell 245 der Regelklappe sind der Druck P21 vor der Regelklappe und nach dem Verdichter, der Druck P22im Saugrohr und die Temperatur T21 vor der Regelklappe. Die Eingangsgrößen des Modells 335 des Abgasrückführventils 118 sind der Druck P3 nach dem Auslass der Brennkraftmaschine und vor der Turbine, der Druck P22 im Saugrohr, die Temperatur T3 nach dem Auslass der Brennkraftmaschine und der Sollabgasmassenstrom MR, der durch das Abgasrückführventil 118 strömen soll.The
Die Sollwerte für die effektiv durchströmten Flächen für die Regelklappe und das Abgasrückführventil werden über die Kennlinien 245 und 345 in Stellgrößen für die Regelklappe und das Abgasrückführventil umgerechnet. Anstelle der Kennlinie können hierzu auch aufwändigere dynamische Modelle verwendet werden.The setpoint values for the areas effectively flowed through for the control flap and the exhaust gas recirculation valve are converted into manipulated variables for the control flap and the exhaust gas recirculation valve using the
Durch die Vorsteuerung ergibt sich der Vorteil, dass sehr schnell auf Änderungen des Sollwerts reagiert werden kann, d. h. es ergibt sich ein sehr schnelles Führungsverhalten. Dabei ist die Systemdynamik hierbei bereits berücksichtigt. Das bedeutet, durch die Vorsteuerung kann sowohl die Abgasrückführrate bzw. Abgasrückführmassenstrom und der Luftmassenstrom sehr schnell an sich ändernde Bedingungen angepasst werden. Dies ist insbesondere bei der Umschaltung zwischen verschiedenen Betriebszuständen wie beispielsweise in den Regenerationsbetrieb oder aus dem Regenerationsbetrieb heraus vorteilhaft. Da die beiden Regelkreise unabhängig voneinander sind und bei einem System ohne Regelung gar keine Rückkoppelung vorhanden ist, treten bei dieser Struktur keine Stabilitätsprobleme auf. Wird zusätzlich ein Regler verwendet, muss dieser nur Störeinflüsse und Modellungenauigkeiten ausregeln, da das Führungsverhalten von der Vorsteuerung gewährleistet wird. Die Kopplung der beiden Steller ist über das Modell der Mischstelle 230 abgebildet. D. h. die Regler sind entkoppelt, wodurch die Applikation deutlich vereinfacht wird.The pre-control has the advantage that it is possible to react very quickly to changes in the setpoint, i.e. H. there is a very quick leadership behavior. The system dynamics are already taken into account here. This means that both the exhaust gas recirculation rate or exhaust gas recirculation mass flow and the air mass flow can be adapted very quickly to changing conditions through the pilot control. This is particularly advantageous when switching between different operating states such as, for example, into the regeneration mode or from the regeneration mode. Since the two control loops are independent of one another and there is no feedback at all in a system without control, there are no stability problems with this structure. If a controller is also used, it only has to compensate for interference and model inaccuracies, since the control behavior is guaranteed by the feedforward control. The coupling of the two actuators is mapped using the model of the
Besonders vorteilhaft ist es, wenn in bestimmten Betriebszuständen lediglich die Vorsteuerung aktiv ist und auf die Regelung verzichtet wird, d. h. dass die Regelung abgeschaltet wird. Dies erfolgt beispielsweise dadurch, dass bei Vorliegen bestimmter Betriebszustände die Verbindung zwischen Regler 220 und dem Verknüpfungspunkt 225 bzw. zwischen dem Regler 320 und dem Verknüpfungspunkt 325 mittels eines Schaltmittels unterbrochen wird. Ein solcher Betriebszustand liegt beispielsweise vor, wenn eine kleine Regelabweichung eine große Stellgrößenänderung zur Folge hat. Bei solchen Betriebszuständen liegt eine geringe Sensitivität zwischen Stellgröße und einzuregelnder Größe vor. In diesen Betriebszuständen wird dann auf die Regelung verzichtet und nur die Vorsteuerwerte zur Ansteuerung des Stellers verwendet. Dadurch wird der Steller geschont und Störeinflüsse vermieden. Dies kann auch in Hinsicht auf Toleranzen vorteilhaft sein.It is particularly advantageous if, in certain operating states, only the pilot control is active and the regulation is dispensed with; H. that the control is switched off. This takes place, for example, in that when certain operating states are present, the connection between
Am Beispiel der Regelung der Luftmasse mittels einer Regelklappe im Regenerationsbetrieb bedeutet dies Folgendes: Der Einfluss der Regelklappenposition im weit geöffneten Bereich der Regelklappe auf die Luftmasse ist praktisch nicht sichtbar. Würde mit Hilfe einer Regelung versucht, einen Sollwert in diesem nicht sensitiven Bereich einzuregeln, so würde der Regler bedingt durch das Messrauschen große Ausschläge in der Stellgröße verursachen, die die Regelklappe unnötig belasten könnten. Bei der Verwendung einer modellbasierten Vorsteuerung wird in solchen nicht sensitiven Bereichen die Regelung abgeschaltet. Die Vorsteuerung liefert im Bereich geringer Sensitivität einen wesentlich ruhigeren Stellgrößenverlauf als ein Regler. Damit wird die Mechanik des Reglers geschont und Störeinflüsse auf das Luftsystem vermieden.Using the example of regulating the air mass by means of a control flap in regeneration mode, this means the following: The influence of the control flap position on the air mass in the wide-open area of the control flap is practically invisible. If an attempt were made to regulate a setpoint value in this non-sensitive area with the help of a control system, the controller would cause large fluctuations in the manipulated variable due to the measurement noise, which could unnecessarily load the control valve. When using a model-based pilot control, the control is switched off in such non-sensitive areas. In the area of low sensitivity, the feedforward control delivers a significantly smoother control value curve than a controller. This protects the controller's mechanics and prevents interference in the air system.
Üblicherweise wird als Regler 220 bzw. 320 ein Regler verwendet, der insbesondere Pl-Verhalten aufweist. Der I-Anteil baut sich im Wesentlichen proportional zur vorzeichenbehafteten Fläche zwischen Soll- und Istwert auf. Wird für die Stellgröße ein sprunghafter Verlauf vorgegeben, so ergibt sich bedingt durch die Strecken- und Stellerdynamik eine zeitlich verzögerte Änderung des einzuregelnden Istwertes. Aus diesem Grund führen sprunghafte Sollwertverläufe zu einem nicht physikalisch bedingten Aufbau des I-Anteils. Um diesen wieder abzubauen, muss der Regler in die entsprechende andere Richtung bezüglich des Sollwerts Unter- bzw. Überschwingen. Dieses Verhalten führt zu schlechtem Einregelverhalten und kann nur durch entsprechende Werte für die Regelparameter gemildert werden. Bei entsprechenden Regelparametern ergibt sich jedoch wiederum ein schlechtes Führungsverhalten.Usually, a regulator is used as
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass durch die Sollwertfilter 210 und 310 dieser Effekt deutlich vermindert werden kann. Dies wird dadurch erreicht, dass mittels der Sollwertfilter 210 bzw. 310 der Verlauf des Sollwertes an die Regelstrecken- und/oder Stellerdynamik angepasst wird. Dies wird dadurch erreicht, dass der Sollwert derart gefiltert wird, dass er das selbe oder zumindestens ein ähnliches Zeitliches Verhalten wie der Steller und/oder die gesamte Regelstrecke aufweist. Besitzt des Steller beispielsweise PT1 Verhalten, so wird ein Filter mit PT1 verhalten verwendet. Dadurch verringert sich die für den Aufbau des I-Anteils maßgebliche Fläche deutlich. Nun kann der Regler mit einem größeren KI ausgelegt werden, da der unerwünschter Aufbau des I-Anteils vermieden wird.According to the invention it is provided that this effect can be significantly reduced by the setpoint filters 210 and 310. This is achieved in that the
Erfindungsgemäß wird der Sollwertfilter 210 und 310 derart ausgestaltet, dass eine dynamische Anpassung der Sollwerte an das Streckenverhalten erfolgt. Aus diesem angepassten Verlauf der Sollwerte wird eine effektiv durchströmte Sollfläche berechnet. Diese Größe wird sowohl zur Berechnung der Vorsteuerwerte durch das Modell 230 und die Modelle 235 und 335 verwendet als auch als Sollgröße für die Regelung 210 bzw. 320. Die Berechnung der Regelabweichung wird die nicht modellierte Restdynamik, z. B. Stellerdynamik dieser Stellgröße über ein Totzeit- und ein PT1-Glied abgebildet. Durch diese Maßnahme muss der Regler 220 bzw. 320 nur noch Modellungenauigkeiten und Störeinflüsse ausregeln und kann so entsprechend auf Schnelligkeit ausgelegt werden.According to the invention, the setpoint filters 210 and 310 are designed in such a way that the setpoints are dynamically adapted to the route behavior. A target area effectively flowed through is calculated from this adapted course of the target values. This variable is used both for calculating the pre-control values by the
Treten bei einem Regler, der zumindestens ein Integrales Verhalten aufweist, große Regelabweichungen auf, so führt dies, bei Regelparametern, die für ein gutes dynamisches Verhalten notwendig sind, zu großen Werten des Integralanteils. Diese großen Werte bewirken Überschwinger oder Unterschwinger. Dieses Verhalten wird nicht gewünscht. Werden entsprechende Werte für die Regelparamter gewählt, bei denen keine Überschwinger oder Unterschwinger auftreten, so führt dies zu einem schlechten dynamischen Verhalten, das heißt der Istwert erreicht nur langsam den entsprechenden Sollwert.If large control deviations occur in a controller that has at least one integral behavior, this leads to large values of the integral component for control parameters that are necessary for good dynamic behavior. These large values cause overshoots or undershoots. This behavior is not desired. If corresponding values are selected for the control parameters in which no overshoots or undershoots occur, this leads to poor dynamic behavior, that is, the actual value only slowly reaches the corresponding setpoint.
Um dies zu vermeiden ist bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen, dass der Betrag der Regelabweichung, das heißt das am Verknüpfungspunkt 205 und/oder am Verknüpfungspunkt 305 anstehende Signal, mittels eines Begrenzers auf einen höchstzulässigen Wert begrenzt wird.To avoid this, a particularly advantageous embodiment provides that the amount of the control deviation, that is, the signal pending at
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