DE102005015609A1 - Vorrichtung zum Steuern einer Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Eine Brennkraftmaschine hat einen Abgasturbolader, der ein Abgasturbolader-Stellglied umfasst. Sie hat ferner eine Abgasrückführ-Einrichtung, die ein Abgasrückführventil umfasst. Eine Vorrichtung zum Steuern der Brennkraftmaschine umfasst ferner einen Abgasturbolader-Regler, der abhängig von dem Soll-Ladedruck (BP_SP) und einem Ist-Ladedruck (BP_AV) einen Regel-Stellgrößen-Abgasgegendruck (FB_SG_PEXH) ermittelt. Ein Abgasrückführ-Regler ist vorgesehen, der abhängig von einem Soll-Luftmassenstrom (MAF_SP) und einem Ist-Luftmassenstrom (MAF_AV) einen Regel-Stellgrößen-Abgasrückführmassenstrom (FB_SG_EGR) ermittelt. Eine erste Entkopplungseinheit ist ausgebildet, einen Entkopplungs-Massenstrom (MF_DEC) in einem Abgastrakt stromaufwärts einer Abzweigung der Abgasrückführeinrichtung zu ermitteln, und zwar abhängig von dem Vorsteuerungs-Stellgrößen-Abgasrückführmassenstrom (PRE_SG_EGR) und dem Regel-Stellgrößen-Abgasrückführmassenstrom (FB_SG_EGR). Eine zweite Entkopplungseinheit ist vorgesehen, die einen Entkopplungs-Abgasgegendruck (PEXH_DEC) ermittelt, und zwar abhängig von dem Vorsteuerungs-Stellgrößen-Abgasgegendruck (PRE_SG_PEXH) und dem Regel-Stellgrößen-Abgasgegendruck (FB_SG_PEXH). Eine erste Umsetzungseinheit ist ausgebildet, ein Stellsignal (ATL_S_SIG) für das Abgasturbolader-Stellglied abhängig von dem Vorsteuerungs-Stellgrößen-Abgasgegendruck (PRE_SG_PEXH), dem Regel-Stellgrößen-Abgasgegendruck (FB_SG_PEXH) und dem Entkopplungs-Massenstrom (MF_DEC) zu ermitteln. ...

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Steuern einer Brennkraftmaschine.
  • Immer strengere gesetzliche Vorschriften bezüglich zulässiger Schadstoffemissionen von Kraftfahrzeugen, in denen Brennkraftmaschinen angeordnet sind, machen es erforderlich, die Schadstoffemission beim Betrieb der Brennkraftmaschine so gering wie möglich zu halten. Dies kann zum einen erfolgen, indem die Schadstoffemissionen verringert werden, die während der Verbrennung des Luft/Kraftstoff-Gemisches in dem jeweiligen Zylinder entstehen. Hierzu ist eine exakte Zumessung von Frischluft und rückgeführtem Abgas notwendig. Insbesondere der dynamische Betrieb bei zunehmend höheren Aufladegraden von Brennkraftmaschinen erfordert eine gute Steuerung und Regelung, um Emissionen im transienten Betrieb zu verringern sowie ein komfortables Drehmoment-Ansprechverhalten zu realisieren.
  • Für Benzin- und auch für Diesel-Brennkraftmaschinen ist es bekannt, zum einen die angesaugte Luft zu verdichten, bevor sie in die Zylinder der Brennkraftmaschine strömt, und zum anderen nach der Verbrennung in einen Abgastrakt der Brennkraftmaschine austretendes Abgas über eine externe Abgasrückführvorrichtung zurückzuführen und der zuzuführenden Frischgasmasse beizumengen. Auf diese Weise können insbesondere Stickoxidemissionen durch eine geringere Verbrennungstemperatur vermindert werden. Zum Verdichten der Ansaugluft sind häufig Abgasturbolader im Einsatz, deren Antrieb durch eine Turbine im Abgastrakt der Brennkraftmaschine gebildet wird, die mechanisch gekoppelt ist mit einem Verdichter in dem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine. Es sind jeweils Stellglieder zum Einstellen der Verdichterleistung und auch der rückzuführenden Abgasmasse vorgesehen. Ein Eingriff in das jeweilige Stellglied der externen Abgasrückführung oder des Abgasturboladers hat jeweils auch einen Einfluss auf das Verhalten des jeweiligen anderen Systems, also des Abgasturboladers bzw. der Abgasrückführung.
  • Aus dem Artikel "Simultane Regelung von Ladedruck und AGR-Verhalten beim PKW-Diesel-Motor", Motortechnische Zeitschrift (MTZ) 11/2001, Seiten 956 ff., ist zum einen ein modellgestützter prädiktiver Regler zum simultanen Regeln des Ladedrucks und der AGR-Rate bei einem Dieselmotor bekannt, zum anderen ist auch eine Reglerstruktur bekannt, mit Reglern für die Abgasrückführung und den Abgasturbolader. Die Stellgröße des dem Abgasturbolader zugeordneten Reglers ist eine variable Turbinengeometrie-Stellung. Die Ausgangsgröße des Abgasrückführungs-Reglers ist eine Stellung eines Abgasrückführventils. Zum Entkoppeln der beiden Regelkreise ist es aus dem oben genannten Fachartikel bekannt, Entkopplungsglieder vorzusehen, deren Eingangsgrößen jeweils die Stellgrößen des anderen Reglers sind und deren Ausgangsgrößen dann der Stellgröße des jeweiligen Reglers hinzuaddiert werden.
  • Aus einem weiteren Fachartikel "Die Regelstrecke eines PKW-Dieselmotors mit Direkteinspritzung im Hinblick auf Ladedruck- und Abgasrückführ-Regelung", MTZ 1999, Seiten 186 ff., ist ein dynamisches Modell einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader und einer Abgasrückführung bekannt.
    •
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Steuern einer Brennkraftmaschine zu schaffen, die einen emissionsarmen Betrieb der Brennkraftmaschine ermöglicht.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs.
  • Die Erfindung zeichnet sich aus durch eine Vorrichtung zum Steuern einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, der ein Abgasturbolader-Stellglied umfasst, und mit einer Abgasrückführeinrichtung, die ein Abgasrückführventil umfasst. Die Steuervorrichtung umfasst eine Abgasturbolader-Vorsteuerung, die abhängig von mindestens einer Betriebsgröße der Brennkraftmaschine einen Vorsteuerungs-Stellgrößen-Abgasgegendruck ermittelt. Betriebsgrößen umfassen sowohl Messgrößen als auch beliebige von diesen abgeleitete Größen. Ferner ist ein Abgasturbolader-Regler vorgesehen, der abhängig von einem Soll-Ladedruck und einem Ist-Ladedruck einen Regel-Stellgrößen-Abgasgegendruck ermittelt. Ferner ist eine Abgasrückführ-Vorsteuerung vorgesehen, die abhängig von mindestens einer Betriebsgröße der Brennkraftmaschine einen Vorsteuerungs-Stellgrößen-Abgasrückführmassenstrom ermittelt. Ein Abgasrückführ-Regler ist vorgesehen, der abhängig von einem Soll-Luftmassenstrom und einem Ist-Luftmassenstrom einen Regel-Stellgrößen-Abgasrückführmassenstrom ermittelt.
  • Die Vorrichtung umfasst ferner eine erste Entkopplungseinheit, die einen Entkopplungs-Massenstrom in einem Abgastrakt stromabwärts einer Abgasrückführ-Abzweigung der Abgasrückführ-Einrichtung ermittelt, und zwar abhängig von dem Vorsteuerungs-Stellgrößen-Abgasrückführmassenstrom und dem Regel-Stellgrößen-Abgasrückführmassenstrom. Die Vorrichtung umfasst ferner eine zweite Entkopplungseinheit, die einen Entkopplungs-Abgasgegendruck ermittelt und zwar abhängig von dem Vorsteuerungs-Stellgrößen-Abgasgegendruck und dem Regel-Stellgrößen-Abgasgegendruck. Eine erste Umsetzungseinheit ist vorgesehen, die ein Stellsignal für das Abgasturbolader-Stellglied abhängig von dem Vorsteuerungs-Stellgrößen-Abgasgegendruck, dem Regel-Stellgrößen-Abgasgegendruck und dem Entkopplungs-Massenstrom ermittelt. Ferner ist eine zweite Umsetzungseinheit vorgesehen, die ein Stellsignal für das Abgasrückführ-Ventil abhängig von dem Vorsteuerungs-Stellgrößen-Abgasrückführmassenstrom, dem Re gel-Stellgrößen-Abgasrückführmassenstrom und dem Entkopplungs-Abgasgegendruck ermittelt.
  • Die Erfindung nutzt so die Erkenntnis, dass durch die Wahl der Ein- und Ausgangsgrößen der Entkopplungseinheiten in der Praxis eine besonders zuverlässige und präzise Entkopplung des Abgasturboladers und der Abgasrückführeinrichtung einfach möglich ist. Auf diese Weise kann einfach auch bei einem simultanen Betrieb des Abgasturboladers und der Abgasrückführ-Einrichtung sowohl der Ladedruck als auch die Luftmassenstrom oder der Abgasrückführmassenstrom sehr präzise eingestellt werden. Ferner kann so auch ein präzises Einstellen eines gewünschten Drehmoments, das von der Brennkraftmaschine abgegeben werden soll, erreicht werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Schätzgrößeneinheit vorgesehen, die ein physikalisches Modell der Brennkraftmaschine umfasst, das ausgebildet ist zum Ermitteln eines Schätzwertes des Massenstroms in dem Abgastrakt stromabwärts der Abgasrückführ-Abzweigung und zwar abhängig von mindestens einer Betriebsgröße der Brennkraftmaschine, und das ferner ausgebildet ist zum Ermitteln eines Schätzwertes des Abgasgegendrucks, abhängig von mindestens einer Betriebsgröße der Brennkraftmaschine, wobei die erste Entkopplungseinheit ausgebildet ist zum Ermitteln des Entkopplungs-Massenstroms abhängig von dem Schätzwert des Massenstroms in dem Abgastrakt stromabwärts der Abgasrückführ-Abzweigung und/oder die zweite Entkopplungseinheit ausgebildet ist zum Ermitteln des Entkopplungs-Abgasgegendrucks abhängig von dem Schätzwert des Abgasgegendrucks. Auf diese Weise können der Entkopplungs-Massenstrom und/oder der Entkopplungs-Abgasgegendruck noch präziser ermittelt werden und somit dann auch der Soll-Lade-Druck und der Soll-Luftmassenstrom noch genauer tatsächlich eingestellt werden.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die erste Entkopplungseinheit ein Hochpassfilter, mittels dessen die Summe des Vorsteuerungs-Stellgrößen-Abgasrückführmassenstroms und des Regel-Stellgrößen-Abgasrückführmassenstroms gefiltert wird. Die erste Entkopplungseinheit ist ausgebildet, abhängig von dem gefilterten Summensignal des Stellgrößen-Abgasrückführmassenstroms den Entkopplungs-Massenstrom zu ermitteln. Auf diese Weise wird die Erkenntnis genutzt, dass die Schätzwerte des Massenstroms, die mittels des physikalischen Modells der Brennkraftmaschine ermittelt werden, außerhalb eines hochfrequenten Bereichs sehr präzise sind. Demgegenüber bildet das Summensignal Eingriffe der Abgasrückführung, die unmittelbar bevorstehen, sehr präzise ab. Es ist so einfach möglich, Stellgliedbewegungen zu prädizieren und somit nahezu verzögerungsfrei zu reagieren und damit eine sehr präzise Einstellung des Soll-Ladedrucks zu ermöglichen.
  • In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn die erste Entkopplungseinheit ausgebildet ist, den Entkopplungs-Massenstrom abhängig von dem gefilterten Summensignal des Stellgrößen-Abgasrückführmassenstroms, gewichtet mit einem vorgegebenen Wichtungsfaktor, zu ermitteln. Auf diese Weise kann durch geeignete Wahl des Wichtungsfaktors eine noch präzisere Einstellung des Soll-Ladedrucks gewährleistet werden.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die zweite Entkopplungseinheit ein Hochpassfilter, mittels dessen die Summe des Vorsteuerungs-Stellgrößen-Abgasgegendrucks und des Regel-Stellgrößen-Abgasgegendrucks gefiltert wird, und die zweite Entkopplungseinheit ausgebildet ist, abhängig von dem gefilterten Summensignal des Stellgrößen-Abgasgegendrucks den Entkopplungs-Abgasgegendruck zu ermitteln.
  • Auf diese Weise wird die Erkenntnis genutzt, dass der mittels des physikalischen Modells der Brennkraftmaschine ermittelte Schätzwert des Massenstroms in dem Abgastrakt stromabwärts der Abgasrückführ-Abzweigung außerhalb eines hochfrequenten Bereichs sehr präzise ist. Ferner wird die Erkenntnis genutzt, dass das Summensignal des Stellgrößen-Abgasgegendrucks Eingriffe des Abgasturbolader-Stellglieds, die insbesondere unmittelbar bevorstehen, sehr präzise abbildet und somit ein nahezu verzögerungsfreies Reagieren des Abgasrückführventils auf einen Eingriff des Abgasturbolader-Stellglieds einfach möglich ist. Auf diese Weise kann somit der Soll-Luftmassenstrom äußerst präzise eingestellt werden.
  • In diesem Zusammenhang ist es ferner vorteilhaft, wenn die zweite Entkopplungseinheit ausgebildet ist, den Entkopplungs-Abgasgegendruck abhängig von dem gefilterten Summensignal des Stellgrößen-Abgasgegendrucks, gewichtet mit einem vorgegebenen Wichtungsfaktor, zu ermitteln. Auf diese Weise kann durch geeignete Wahl des Wichtungsfaktors eine noch präzisere Einstellung des Soll-Luftmassenstroms gewährleistet werden.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Abgasturbolader eine Turbine mit variabler Turbinengeometrie, ein Turbinengeometrie-Stellglied und ein Waste-Gate-Ventil. Die erste Umsetzungseinheit ist ausgebildet zum Erzeugen eines Stellsignals für das Turbinengeometrie-Stellglied im Sinne eines Variierens des freien Strömungsquerschnitts der Turbine und zum Erzeugen eines Stellsignals für das Waste-Gate-Ventil. Das Summensignal Stellgröße-Abgasgegendruck wird bis zu einem Schwellwert durch Variation des freien Strömungsquerschnitts bei geschlossenen Waste-Gate-Ventil umgesetzt. Ab dem Schwellwert wird das Summensignal Stellgröße-Abgasgegendruck durch variieren eines Öffnungsgrads des Waste-Gate-Ventils umgesetzt und zwar unter Beibehaltung des freien Strömungsquerschnitts der Turbine. Auf diese Weise kann ein sehr gutes Ansprechverhalten des Abgasturboladers und ein sehr präzises Einstellen des Soll-Ladedrucks gewährleistet werden.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Aufladung in Serie angeordnete erste und zweite Turbine, denen jeweils als Stellglied ein Waste-Gate-Ventil oder eine variable Turbinengeometrie zugeordnet ist. Die Umsetzungseinheit ist ausgebildet zum Erzeugen eines ersten Stellglieds für das Stellglied der ersten Turbine und zum erzeugen eines zweiten Stellsignals für das Stellglied der zweiten Turbine. Das Summensignal Stellgröße-Abgasgegendruck wird bis zu einem Schwellwert durch Variation des ersten Stellglieds bei fester Position des zweiten Stellglieds umgesetzt. Ab dem ersten Schwellwert wird das Summensignal Stellgröße-Abgasgegendruck durch Variation des zweiten Stellglieds bei fester Position des ersten Stellglieds umgesetzt. Auch auf diese Weise ist ein sehr präzises Einstellen des Soll-Abgasgegendrucks mittels des Abgasturboladers möglich.
    •
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine Brennkraftmaschine mit einer Steuervorrichtung,
  • 2 ein Blockschaltbild der Steuervorrichtung,
  • 3 eine detailliertere Darstellung von einzelnen Blöcken des Blockschaltbildes gemäß 2,
  • 4 eine modifizierte Brennkraftmaschine.
  • Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
  • Eine Brennkraftmaschine (1) umfasst einen Ansaugtrakt 1, einen Motorblock 2, einen Zylinderkopf und einen Abgastrakt 4. Der Ansaugtrakt 1 kann über einen Luftfilter 5 mit der Umgebungsluft kommunizieren. Der Ansaugtrakt 1 umfasst ferner einen Verdichter 7 eines Abgasturboladers, ferner einen Ladeluftkühler 9, eine Drosselklappe 11, einen Sammler 13 und Saugrohre 15, die sich von dem Sammler 13 hin zu Zylindern in den Motorblock 2 erstrecken.
  • Der Motorblock umfasst eine Kurbelwelle, welche über eine Pleuelstange mit dem Kolben der jeweiligen Zylinder gekoppelt ist. Der Zylinderkopf umfasst einen Ventiltrieb mit Gaseinlass- und Gasauslassventilen. Ferner umfasst der Zylinderkopf Einspritzventile 18, die den jeweiligen Zylindern zugeordnet sind.
  • Der Abgastrakt 4 umfasst eine Turbine, die Teil des Abgasturboladers ist. Der Turbine 20 ist ein Abgasturbolader-Stellglied 22 zugeordnet. Das Abgasturbolader-Stellglied 22 kann jedoch auch direkt dem Verdichter 7 zugeordnet sein. Das Abgasturbolader-Stellglied kann beispielsweise ein Turbinengeometrie-Stellglied sein, wenn die Turbine 20 eine variable Turbinengeometrie aufweist. Es kann jedoch auch ein Waste-Gate-Ventil sein, das in einem Bypass zu der Turbine 20 angeordnet ist. Es kann ferner auch in einem Bypass zu dem Verdichter 11 angeordnet sein.
  • Der Abgastrakt 4 umfasst ferner einen Abgas-Katalysator 24 und/oder einen Partikelfilter. Darüber hinaus umfasst er bevorzugt einen Schalldämpfer 26.
  • Stromaufwärts in Strömungsrichtung des Abgases bezüglich der Turbine 20 ist eine Abzweigung 28 einer Abgasrückführleitung 30 in dem Abgastrakt 4 ausgebildet. Die Abgasrückführleitung 30 bildet zusammen mit einer Kühlvorrichtung 32 und einem Abgasrückführventil 33 eine Abgasrückführeinrichtung. Die Abgasrückführeinrichtung ist ausgebildet zum Rückführen von Abgasen, die nach dem jeweiligen Brennvorgang aus dem jeweiligen Zylinder der Brennkraftmaschine in den Abgastrakt 4 ausgestoßen werden, zurück in den Sammler 13.
  • Ferner ist eine Steuervorrichtung 34 vorgesehen, der Sensoren zugeordnet sind, die verschiedene Messgrößen erfassen und jeweils den Wert der Messgröße ermitteln. Die Steuervorrichtung 34 ermittelt abhängig von mindestens einer der Messgrößen Stellgrößen, die dann in ein oder mehrere Stellsignale zum Steuern der Stellglieder der Brennkraftmaschine mittels entsprechender Stellantriebe umgesetzt werden. Die Steuervorrichtung 34 kann auch als Vorrichtung zum Steuern der Brennkraftmaschine bezeichnet werden.
  • Die Sensoren sind ein Pedalstellungsgeber 36, welcher eine Fahrpedalstellung eines Fahrpedals 38 erfasst, ein Luftmassensensor 40, welcher einen Luftmassenstrom in dem Ansaugtrakt 1 erfasst, ein erster Temperatursensor 44, welche eine Ansauglufttemperatur erfasst, ein Ladedrucksensor 46, welcher einen Ladedruck erfasst, ein Kurbelwellenwinkelsensor 48, welcher einen Kurbelwellenwinkel erfasst, dem dann eine Drehzahl zugeordnet wird. Ferner ist ein zweiter Temperatursensor 50 vorgesehen, der eine Kühlmitteltemperatur der Brennkraftmaschine erfasst. Darüber hinaus ist ein Abgasturbolader-Sensor 52 vorgesehen, der beispielsweise eine Position der variablen Turbinengeometrie oder eine Position oder einen Öffnungsgrad des Waste-Gate-Ventils erfasst. Darüber hinaus ist ein Abgasrückführventil-Sensor 54 vorgesehen, der eine Position oder einen Öffnungsgrad des Abgasrückführventils erfasst.
  • Je nach Ausführungsform der Erfindung kann eine beliebige Untermenge der genannten Sensoren vorhanden sein oder es können auch zusätzliche Sensoren vorhanden sein.
  • Die Stellglieder sind beispielsweise als die Drosselklappe 11, der Ladeluftkühler 9, das Abgasturbolader-Stellglied 22, das Abgasrückführventil 33, die Kühlvorrichtung 32 oder das Einspritzventil 18 ausgebildet.
  • Anhand des Blockschaltbildes der 2 sind die für die Erfindung relevanten Funktionen der Steuervorrichtung 34 dargestellt. Die Steuervorrichtung 34 umfasst jedoch bevorzugt noch weitere Funktionen im Zusammenhang mit der Steuerung der Brennkraftmaschine.
  • Ein Block B1 umfasst eine Abgasturbolader-Vorsteuerung. Die Abgasturbolader-Vorsteuerung ist ausgebildet zum Ermitteln eines Vorsteuerungs-Stellgrößen-Abgasgegendrucks PRE_SG_PEXH abhängig von mindestens einer Betriebsgröße BG der Brennkraftmaschine. Betriebsgrößen umfassen neben den Messgrößen auch von diesen abgeleitete Größen. Die Vorsteuerung kann beispielsweise eines oder mehrere Kennfelder umfassen.
  • Ein Block B3 umfasst einen Abgasturbolader-Regler, der vorzugsweise ein P-, PI- oder auch ein PID-Regler ist und dem als Regeldifferenz eine Differenz eines Soll-Ladedrucks BP_SP und eines Ist-Ladedrucks BP_AV zugeführt wird. Die Ausgangsgröße des Blocks B3 ist ein Regel-Stellgrößen-Abgasgegendruck FB_SG_PEXH.
  • Ein Block B5 umfasst eine Abgasrückführ-Steuerung, welche dazu ausgebildet ist, abhängig von mindestens einer Betriebsgröße BG einen Vorsteuerungs-Stellgrößen-Abgasrückführmassenstrom PRE_SG_EGR zu ermitteln. Dazu umfasst der Block B5 bevorzugt mindestens ein Kennfeld.
  • Ein Block B7 umfasst einen Abgasrückführ-Regler, der beispielsweise als P-, PI- oder PID-Regler ausgebildet ist, dessen Regeldifferenz eine Differenz eines Soll-Luftmassenstroms in dem Ansaugtrakt und eines Ist-Luftmassenstroms MAF_AV ist. Die Ausgangsgröße des Blocks B7 ist ein Regel-Stellgrößen-Abgasrückführmassenstrom FB_SG_EGR.
  • Ein Block B9 ist vorgesehen, der eine erste Entkopplungseinheit umfasst. Die erste Entkopplungseinheit ist ausgebildet zum Er mitteln eines Entkopplungs-Massenstroms MF_DEC in dem Abgastrakt 4 stromabwärts der Abzweigung 28 der Abgasrückführleitung 30 und zwar abhängig von dem Vorsteuerungs-Stellgrößen-Abgasrückführmassenstrom PRE_SG_EGR und dem Regel-Stellgrößen-Abgasrückführmassenstrom FB_SG_EGR. Im einfachsten Fall kann die erste Entkopplungseinheit einen vorgegebenen Korrekturwert umfassen, der multiplikativ mit der Summe des Vorsteuerungs-Stellgrößen-Abgasrückführmassenstroms PRE_SG_EGR und des Regel-Stellgrößen-Abgasrückführmassenstroms FB_SG_EGR verknüpft ist. Der Korrekturwert ist durch geeignete Versuche derart bevorzugt vorgegeben, dass eine entsprechende Entkopplung stattfindet.
  • Ferner ist ein Block B11 vorgesehen, der eine zweite Entkopplungseinheit umfasst. Die zweite Entkopplungseinheit ist ausgebildet zum Ermitteln eines Entkopplungs-Abgasgegendrucks PEXH_DEC und zwar abhängig von dem Vorsteuerungs-Stellgrößen-Abgasgegendruck PRE_SG_PEXH und dem Regel-Stellgrößen-Abgasgegendruck FB_SG_PEXH. Dazu umfasst auch sie im einfachsten Fall einen Korrekturwert, der bevorzugt multiplikativ verknüpft ist mit der Summe des Vorsteuerungs-Stellgrößen-Abgasgegendrucks PRE_SG_PEXH und dem Regel-Stellgrößen-Abgasgegendruck FB_SG_PEXH. Auch in diesem Fall ist der Korrekturwert geeignet gewählt und beispielsweise durch Simulationen oder Versuche ermittelt, und zwar derart, dass ein Entkoppeln der Abgasrückführ-Einrichtung von dem Abgasturbolader erfolgt.
  • Ein Block B13 umfasst eine erste Umsetzungseinheit, die ausgebildet ist zum Ermitteln mindestens eines Abgasturbolader-Stellsignals ATL_S_SIG. Sie umfasst bevorzugt einen Block B15 mit einem inversen physikalischen Modell des abgasseitigen Teils der Aufladung. Das Modell ist so ausgebildet, dass mittels der Summe des Vorsteuerungs-Stellgrößen-Abgasgegendrucks PRE_SG_PEXH und des Regel-Stellgrößen-Abgasgegendrucks FB_SG_PEXH, dem Entkopplungs-Massenstrom MF_DEC und bevorzugt mindestens einer weiteren Betriebsgröße BG der Brennkraftmaschine ein Eingangssignal für einen Block B17 ermittelt wird. Bevorzugt umfasst das inverse physikalische Modell mindestens ein Kennfeld, bevorzugt auch mehrere, mittels dessen beispielsweise eine Soll-Position oder Lage des Abgasturbolader-Stellglieds 22 ermittelbar ist. Die mindestens eine Betriebsgröße kann beispielsweise ein Druckverhältnis nach und vor der Turbine 20 und/oder der Druck vor der Turbine 20 und/oder eine Abgastemperatur und/oder eine Drehzahl der Turbine sein.
  • Der Block B17 umfasst einen Lageregelkreis für das Abgasturbolader-Stellglied, der ausgebildet ist zum Ermitteln des Abgasturbolader-Stellsignals ATL_S_SIG, abhängig von der durch den Block B15 vorgegebenen Soll-Position des Abgasturbolader-Stellglieds 22 und bevorzugt abhängig von der durch den Abgasturbolader-Sensor 52 erfassten tatsächlichen Lage oder Position des Abgasturbolader-Stellglieds 22. Durch die Position des Abgasturbolader-Stellglieds kann beispielsweise ein freier Strömungsquerschnitt der Turbine 20 eingestellt werden oder auch ein Öffnungsgrad des Waste-Gate Ventils.
  • Ein Block B19 umfasst eine zweite Umsetzungseinheit, die ausgebildet ist zum Ermitteln eines Abgasrückführventil-Stellsignals S_SIG_EGR, abhängig von dem Vorsteuerungs-Stellgrößen-Abgasrückführmassenstrom PRE_SG_EGR, dem Regel-Stellgrößen-Abgasrückführmassenstrom FB_SG_EGR, dem Entkopplungs-Abgasgegendruck PEXH_DEC und bevorzugt mindestens einer Betriebsgröße BG der Brennkraftmaschine.
  • Der Block B19 umfasst bevorzugt einen Block B21, der ein inverses physikalisches Modell der Abgasrückführeinrichtung umfasst. Mittels dieses inversen physikalischen Modells der Abgasrückführeinrichtung ist eine einzustellende Position des Abgasrückführventils oder einzustellender Öffnungsgrad des Abgasrückführventils 33 ermittelbar. Das Modell umfasst bevorzugt mindestens ein Kennfeld und ist abhängig von dem Vorsteuerungs-Stellgrößen- Abgasrückführmassenstrom PRE_SG_EGR, dem Regel-Stellgrößen-Abgasrückführmassenstrom FB_SB_EGR, dem Entkopplungs-Abgasgegendruck PEXH_DEC und bevorzugt mindestens einer Betriebsgröße, die beispielsweise ein Druckverhältnis des Drucks stromabwärts und stromaufwärts des Abgasrückführventils 33 und/oder die Temperatur des Gases stromaufwärts des Abgasrückführventils 33 ist.
  • Die zweite Umsetzeinheit B19 umfasst ferner einen Block B23, der einen Lageregelkreis für das Abgasrückführventil 33 umfasst, wobei dem Regler des Blocks B23 die Differenz des durch den Block B21 beispielsweise vorgegebenen Öffnungsgrades des Abgasrückführventils und derjenige durch den Abgasrückführventil-Sensor 54 erfasste Öffnungsgrad zugeführt ist. Die Ausgangsgröße des Blocks B23 ist dann das Abgasrückführ-Stellsignal S_SIG_EGR.
  • Gegebenenfalls kann auch abhängig von dem Ausgangssignal des Blocks B1 ein Drosselklappen-Stellsignal S_SIG_THR zum Einstellen eines Öffnungsgrades der Drosselklappe 11 angepasst werden. Dazu sind dann entsprechende Blöcke vorgesehen.
  • Bevorzugt ist ein Block B25 vorgesehen, der eine Schätzgrößeneinheit umfasst. Die Schätzgrößeneinheit umfasst ein physikalisches Modell der Brennkraftmaschine. Sie ist ausgebildet zum Ermitteln verschiedener Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine und unter anderem von Schätzwerten MF_EST des Massenstroms in dem Abgastrakt 4 stromabwärts der Abzweigung 28 der Abgasrückführleitung 30 und von Schätzwerten PEXH_EST des Abgasgegendrucks. Sie umfasst bevorzugt ein dynamisches physikalisches Modell des Ansaugtrakts, des Gaswechsels in den Zylindern und des Brennvorgangs und/oder des Abgastraktes 4 und/oder der Abgasrückführeinrichtung 30. Ein derartiges physikalisches Modell ist beispielsweise auch in dem Fachartikel "Die Regelstrecke eines PKW-Dieselmotors mit Direkteinspritzung im Hinblick auf Ladedruck- und Abgasrückführ-Regelung", Motortechnische Zeitschrift 60, 1999, Seite 188–190, offenbart, deren Inhalt hiermit diesbezüglich mit einbezogen ist. Das physikalische Modell ist wiederum abhängig von weiteren Betriebsgrößen BG der Brennkraftmaschine.
  • Die erste Entkopplungseinheit des Blocks B9 ist dann ausgebildet zum Ermitteln des Entkopplungs-Massenstroms MF DEC abhängig von dem Vorsteuerungs-Stellgrößen-Abgasrückführmassenstrom PRE_SG_EGR, dem Regel-Stellgrößen-Abgasrückführmassenstrom FB_SG_EGR und dem Schätzwert MF EST des Massenstroms in dem Abgastrakt 4 stromabwärts der Abzweigung 28.
  • Bevorzugt umfasst die erste Entkopplungseinheit einen ersten Hochpassfilter 58, der die Summe des Vorsteuerungs-Stellgrößen-Abgasrückführmassenstroms PRE_SG_EGR und des Regel-Stellgrößen-Abgasrückführmassenstroms FB_SG_EGR, und zwar bevorzugt die negative Summe, hochpassfiltert und so ein gefiltertes Summensignal SUM_FIL_SG_EGR des Stellgrößen-Abgasrückführmassenstroms ermittelt. Die Eckfrequenz des Hochpassfilters ist bevorzugt geeignet vorgegeben. Dabei hängt die Eckfrequenz unter anderem bevorzugt ab von der Reaktionszeit des Abgasrückführventils 33 und somit der Abgasrückführ-Einrichtung. Besonders vorteilhaft kann es sein, wenn das Hochpassfilter auch sehr hohe Frequenzen herausfiltert, die lediglich Störfrequenzen des Signals darstellen. In diesem Fall ist es als Bandpassfilter ausgebildet und ebenfalls geeignet parametrisiert.
  • Das gefilterte Summensignal SUM_FIL_SG_EGR des Stellgrößen-Abgasrückführmassenstroms wird bevorzugt mittels eines Wichtungsfaktors WF gewichtet und dann additiv mit dem Schätzwert MF_EST des Massenstroms in dem Abgastrakt 4 stromabwärts der Abzweigung 28 zum Entkopplungs-Massenstrom MF_DEC verknüpft. Der Wichtungsfaktor kann auch geeignet vorgegeben sein, so z. B. durch Versuche oder Simulationen. Bevorzugt können die Parameter des Hochpassfilters 58 bzw. des Bandpassfilters auch noch zusätzlich abhängig sein von mindestens einer Betriebsgröße BG.
  • Im Falle des Vorhandenseins der Schätzeinheit ist ferner auch die zweite Entkopplungseinheit so ausgebildet, dass sie den Entkopplungs-Abgasgegendruck PEXH_DEC zusätzlich abhängig von dem Schätzwert PEXH_EST des Abgasgegendrucks ermittelt. Sie umfasst dazu bevorzugt ebenfalls einen weiteren Hochpassfilter 59, der ausgebildet ist zum Filtern des Vorsteuerungs-Stellgrößen-Abgasgegendrucks PRE_SG_PEXH und des Regel-Stellgrößen-Abgasgegendrucks FB_SG_PEXH und zwar bevorzugt ihrer Summe und er so ein gefiltertes Summensignal SUM_FIL_SG_PEXH des Stellgrößen-Abgasgegendrucks ermittelt. Dazu ist auch hier die Eckfrequenz des Hochpassfilters geeignet vorgegeben, und zwar bevorzugt durch entsprechende Versuche oder Simulationen. Das gefilterte Summensignal SUM_FIL_SG_PEXH des Stellgrößen-Abgasgegendrucks wird dann vorzugsweise mit dem Wichtungsfaktor WF gewichtet. Der Wichtungsfaktor kann sich in seinem Wert auch von demjenigen des Blocks B9 unterscheiden. Das so gewichtete gefilterte Summensignal SUM_FIL_SG_PEXH des Abgasgegendrucks wird dann additiv verknüpft mit dem Schätzwert PEXH_EST des Abgasgegendrucks und so der Entkopplungs-Abgasgegendruck P_EXH_DEC ermittelt.
  • Im Fall des Vorhandenseins eines Abgasgegendruck-Messwertes kann der Schätzwert des Abgasgegendrucks PEXH_EST einfacher Weise ersetzt werden.
  • Alternativ kann auch ein Drucksensor zum Erfassen des Abgasgegendrucks vorgesehen sein. Der erfasste Abgasgegendruck kann dann alternativ zu dem Schätzwert PEXH_EST des Abgasgegendrucks Eingangsgröße der zweiten Entkopplungseinheit sein.
  • Durch das Zusammenwirken der Blöcke B9, B11, B15 und B21 kann einfach ein weitgehend verzögerungsfreies und in diesem Sinne gleichzeitiges Reagieren des mindestens einen Abgasturbolader-Stellglieds 22 und des Abgasrückführventils 33 gewährleistet werden, wobei auch schon unmittelbar bevorstehende Eingriffe des jeweils anderen Stellglieds berücksichtigt werden können.
  • Falls dem Abgasturbolader beispielsweise zwei Abgasturbolader-Stellglieder 22 zugeordnet sind, die beispielsweise das Turbinengeometrie-Stellglied und das Waste-Gate-Ventil sein können, so wird bevorzugt in dem Block B15 zunächst sichergestellt, dass zum Überschreiten eines vorgegebenen Massenstrom-Schwellenwertes THD durch den Entkopplungs-Massenstrom MF DEC zunächst nur das Stellsignal des Turbinengeometrie-Stellglieds variiert wird im Sinne des Variierens des freien Strömungsquerschnitts der Turbine 20 und erst bei Überschreiten eines Schwellwertes THD ein Stellsignal für das Waste-Gate-Ventil im Sinne eines Variierens eines Öffnungsgrades des Waste-Gate-Ventils erzeugt wird und zwar unter Beibehaltung des beim Überschreiten des Schwellenwerts vorliegenden freien Strömungsquerschnitts der Turbine 20, der abhängt von der Position der Turbinengeometrie.
  • Alternativ oder zusätzlich kann die Brennkraftmaschine bezüglich des Abgasturboladers auch eine Stufenschaltung zweier Turbinen 60, 62 umfassen mit zugeordnetem ersten Stellglied und zweiten Stellglied z.B. Waste-Gate-Ventilen 64, 66, wie es in der 4 dargestellt ist. In diesem Fall ist dann bevorzugt ein Block B27 vorgesehen, der entsprechend des Blocks B17 ausgebildet ist und der ausgebildet ist zum Erzeugen eines Stellsignals S_SIG_WG2 für z.B. das zweite Waste-Gate-Ventil 66. Der Block B17 ist dann ausgebildet zum Erzeugen eines Stellsignals S_SIG_WG1 für z.B. das erste Waste-Gate-Ventil 64. Bevorzugt wird in diesem Fall bis zum Überschreiten eines Schwellenwertes THD das Stellsignal S_SIG_WG1, zum Ansteuern des ersten Waste-Gate-Ventils 64 variiert und erst nach Überschreiten des Schwellenwertes THD unter Beibehaltung des Öffnungsgrades des ersten Waste-Gate-Ventils 64 das Stellsignal S_SIG_WG2 zum Steuern des zweiten Waste-Gate-Ventils 66 variiert.

Claims (14)

  1. Vorrichtung zum Steuern einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem Abgasturbolader, der mindestens ein Abgasturbolader-Stellglied (22) umfasst, mit einer Abgasrückführ-Einrichtung, die ein Abgasrückführventil (33) umfasst, wobei die Vorrichtung umfasst: – einen Abgasturbolader-Regler (B3), der abhängig von einem Soll-Ladedruck (BP_SP) und einem Ist-Ladedruck (BP_AV) einen Regel-Stellgrößen-Abgasgegendruck (FB_SG_PEXH) ermittelt; – einen Abgasrückführ-Regler, der abhängig von einem Soll-Luftmassenstrom (MAF_SP) und einem Ist-Luftmassenstrom (MAF_AV)eine Regel-Abgasrückführ-Stellgröße, insbesondere einen Regel-Stellgrößen-Abgasrückführmassenstrom (FB_SG_EGR), ermittelt; – eine erste Entkopplungseinheit (B9), die einen Entkopplungs-Massenstrom (MF_DEC) in einem Abgastrakt (4) stromabwärts einer Abzweigung (28) der Abgasrückführeinrichtung ermittelt und von der Regel-Abgasrückführ-Stellgröße abhängt, insbesondere dem Regel-Stellgrößen-Abgasrückführmassenstrom (FB_SG_EGR), und – eine erste Umsetzungseinheit (B13), die ein Stellsignal (ATL_S_SIG) für das Abgasturbolader-Stellglied (22) abhängig von dem Regel-Stellgrößen-Abgasgegendruck (FB_SG_PEXH) und dem Entkopplungs-Massenstrom (MF_DEC) ermittelt.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung des Weiteren umfasst: – eine Abgasturbolader-Vorsteuerung (B1), die abhängig von mindestens einer Betriebsgröße (BG) der Brennkraftmaschine einen Vorsteuerungs-Stellgrößen-Abgasgegendruck (PRE_SG_PEXH) ermittelt, und/oder – eine Abgasrückführ-Vorsteuerung, die abhängig von mindestens einer Betriebsgröße (BG) der Brennkraftmaschine einen Vorsteuerungs-Stellgrößen-Abgasrückführmassenstrom (PRE_SG_EGR) ermittelt, wobei das Stellsignal (ATL_S_SIG) für das Abgasturbolader-Stellglied (22) des Weiteren von dem Vorsteuerungs-Stellgrößen-Abgasgegendruck (PRE_SG_PEXH) abhängig ist und der Entkopplungs-Massenstrom (MF_DEC) des Weiteren von dem Vorsteuerungs-Stellgrößen-Abgasrückführmassenstrom (PRE_SG_EGR) abhängig ist.
  3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die Vorrichtung des Weiteren umfasst: – eine zweite Entkopplungseinheit, die einen Entkopplungs-Abgasgegendruck (PEXH_DEC) ermittelt und zwar abhängig von dem Vorsteuerungs-Stellgrößen-Abgasgegendruck (PRE_SG_PEXH) und dem Regel-Stellgrößen-Abgasgegendruck (FB_SG_PEXH), und/oder – eine zweite Umsetzungseinheit (B19), die ein Stellsignal (S_SIG_EGR) für das Abgasrückführventil (33) abhängig von dem Vorsteuerungs-Stellgrößen-Abgasrückführmassenstrom (PRE_SG_EGR), dem Regel-Stellgrößen-Abgasrückführmassenstrom (FB_SG_EGR) und dem Entkopplungs-Abgasgegendruck (PEXH_DEC) ermittelt.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der eine Schätzgrößeneinheit vorgesehen ist, die ein physikalisches Modell der Brennkraftmaschine umfasst, das ausgebildet ist zum Ermitteln eines Schätzwertes (MF_EST) des Massenstroms in dem Abgastrakt (4) stromabwärts der Abzweigung (28) und zwar abhängig von mindestens einer Betriebsgröße (BG) der Brennkraftmaschine und das ferner ausgebildet ist zum Ermitteln eines Schätzwertes (PEXH_EST) des Abgasgegendrucks abhängig von mindestens einer Betriebsgröße (BG) der Brennkraftmaschine, wobei die erste Entkopplungseinheit ausgebildet ist zum Ermitteln des Entkopplungs-Massenstroms (MF_DEC), abhängig von dem Schätzwert (MF_EST) des Massenstroms in dem Abgastrakt stromabwärts der Abzweigung (28) und/oder die zweite Entkopplungseinheit ausgebildet ist zum Ermitteln des Entkopplungs-Abgasgegendrucks (PEXH_DEC) abhängig von dem Schätzwert (PEXH_EST) des Abgasgegendrucks.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die erste Entkopplungseinheit ein Hochpassfilter (58) umfasst, mittels dessen die Summe des Vorsteuerungs-Stellgrößen-Abgasrückführmassenstroms (PRE_SG_EGR) und des Regel-Stellgrößen-Abgasrückführmassenstroms (FB_SG_EGR) gefiltert wird, und die erste Entkopplungseinheit ausgebildet ist, abhängig von dem gefilterten Summensignal (SUM_FIL_SG_EGR) des Stellgrößen-Abgasrückführmassenstroms den Entkopplungs-Massenstrom (MF_DEC) zu ermitteln.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die erste Entkopplungseinheit ausgebildet ist, den Entkopplungsmassenstrom (MF_DEC) abhängig von dem gefilterten Summensignal (SUM_FIL_SG_EGR) des Stellgrößen-Abgasrückführmassenstroms gewichtet mit einem vorgegebenen Wichtungsfaktor (WF) zu ermitteln.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei der die zweite Entkopplungseinheit ein Hochpassfilter (59) umfasst, mittels dessen die Summe des Vorsteuerungs-Stellgrößen-Abgasgegendrucks (PRE_SG_EGR) und des Regel-Stellgrößen-Abgasgegendrucks (FB_SG_EGR) gefiltert wird, und die zweite Entkopplungseinheit ausgebildet ist, abhängig von dem gefilterten Summensignal (SUM_FIL_SG_PEXH) des Stellgrößen-Abgasgegendrucks den Entkopplungs-Abgasgegendruck (PEXH_DEC) zu ermitteln.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei dem die zweite Entkopplungseinheit ausgebildet ist, den Entkopplungs-Abgasgegendruck (PEXH_DEC) abhängig von dem gefilterten Summensignal (SUM_FIL_SG_PEXH) des Stellgrößen-Abgasgegendrucks gewichtet mit einem vorgegebenen Wichtungsfaktor (WF) zu ermitteln.
  9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der der Abgasturbolader eine Turbine (20) mit variabler Turbinengeometrie, ein Turbinengeometrie-Stellglied und ein Waste-Gate-Ventil umfasst, wobei die erste Umsetzungseinheit (B13) so ausgebildet ist zum Erzeugen eines Stellsignals für das Turbinengeometrie-Stellglied im Sinne eines Variierens des Strömungsquerschnitts der Turbine (20), bis der einem Schwellenwert (THD), und sie ausgebildet ist zum Erzeugen eines Stellsignals für das Waste-Gate-Ventil im Sinne eines Variierens eines Öffnungsgrades des Waste-Gate-Ventils, wenn der Schwellenwert (THD) überschritten ist, und zwar unter Beibehaltung des freien Strömungsquerschnitts der Turbine (20).
  10. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Aufladung in Serie angeordnete erste und zweite Turbinen (60, 62) umfasst, denen als Stellglied ein erstes bzw. zweites Stellglied (64, 66) zugeordnet ist, wobei die Umsetzungseinheit ausgebildet ist zum Erzeugen eines Stellsignals (S_SIG_BG2) im Sinne des Variierens des Öffnungsgrades des ersten Stellglieds (64), das zur ersten Turbine (60) zugeordnet ist, die stromaufwärts der zweiten Turbine (62) angeordnet ist, bis zu einem Schwellenwert (THD), und sie ausgebildet ist zum Erzeugen eines Stellsignals (S_SIG_WG2) im Sinne des Variierens des Öffnungsgrades des zweiten Stellglieds (66), wenn der Schwellenwert (THD) überschritten ist, und zwar unter Beibehaltung des Öffnungsgrades des ersten Stellglieds (64).
  11. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung eine Drosselklappe (11) zur Unterstützung der Abgasrückführung aufweist.
  12. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung eine dritte Umsetzeinheit (B30) zur Steuerung der Drosselklappe (11) aus der Summe der Regel-Stellgröße Drosselklappen-Differenzdruck und eines Vorsteuer Drosselklappen-Differenzdrucks aufweist.
  13. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der eine variable Verdichtergeometrie ein weiteres Stellglied innerhalb der Aufladung ist und über die erste Umsetzeinheit (B13) angesteuert wird.
  14. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einem elektromotorischen angetriebenen Abgasturbolader, wobei die erste Umsetzeinheit (B13), die Leistung des elektrischen Antriebs als zusätzliches Stellglied ansteuert.
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