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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Regleranordnung sowie ein Computerprogramm zur Regelung einer Ist-Ausgangsgröße einer Brennkraftmaschine auf eine Führungsgröße.
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Schwere Fahrzeuge, insbesondere Nutzfahrzeuge, werden häufig mit einer so genannten Motorbremse ausgestattet, um bei lang andauernden Bremssituationen eine Überhitzung und Verschleiß an den mechanischen Radbremsen zu verringern bzw. zu vermeiden. Im Stand der Technik sind mehrere Ausführungen der Motorbremse bekannt, z. B. ein variabler Ventiltrieb bzw. ein Dekompressionsventil, um komprimierte Luft aus den Zylindern einer Brennkraftmaschine auszublasen, bevor die gespeicherte potentielle Energie wieder in Bewegungsenergie umgewandelt wird. Weiter bekannt im Stand der Technik ist eine Drosselklappe im Abgasstrang der Brennkraftmaschine, um den Abgasgegendruck zu erhöhen, die Brennkraftmaschine arbeitet dann als Pumpe gegen den Abgasdruck. Schließlich kann bei Turboladern mit variabler Turbinengeometrie der Abgasgegendruck durch eine geeignete Ansteuerung des Laders erhöht werden.
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Zur Betätigung der Motorbremse ist jeweils ein Steller notwendig. Dieser kann nicht beliebig schnell positioniert werden. Wenn nach aktivierter Motorbremse die Brennkraftmaschine wieder befeuert wird, kann es insbesondere bei einer Drosselklappe und einem Turbolader mit variabler Turbinengeometrie zu unerwünscht hohen Abgasdrücken im Auslasstrakt kommen. Zu hohe Druckspitzen können dabei zur Zerstörung der Brennkraftmaschine oder von Komponenten im Abgasstrang der Brennkraftmaschine führen. Insbesondere kann es zu einer Zerstörung von Dichtungen im Abgasstrang oder der Beschädigung der Drosselklappe führen, des Weiteren können durch zu hohe Abgasgegendrücke die Auslassventile geöffnet werden und mit den Kolben kollidieren, und es kann bei Turboladern mit variabler Turbinengeometrie zu einer Zerstörung des Turboladers durch eine Überdrehzahl des Läufers kommen.
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Aus der
EP 1 544 445 A1 ist ein Verfahren bekannt, mit dem die Funktionssteuerung einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs durchgeführt wird. Unter anderem wird dort in Schritten die maximale zulässige Ladung des Motors berechnet. D. h. insbesondere, dass die maximale einzuspritzende Kraftstoffmenge bestimmt wird.
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Aus der
DE 103 93 908 T5 ist ein System zum Begrenzen der Drehzahl eines mit einem Verbrennungsmotor gekoppelten Turboladers bekannt.
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Aus der
DE 100 65 516 B4 ist ein Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem ein Sollwert einer Lastgröße abhängig von einem maximal einstellbaren Wert der Lastgröße und einer den Fahrerwunsch repräsentierenden Größe ermittelt wird.
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Probleme des Standes der Technik
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Um einen zu schnellen Anstieg des Abgasstroms und damit des Abgas(gegen)drucks zu vermeiden bis die Motorbremse vollständig deaktiviert ist, wird bei Motorbremsen nach Stand der Technik die Drehmomentanforderung des Fahrers verzögert. Die Verzögerung der Drehmomentanforderung des Fahrers bedeutet, dass auch bei kleinen Fahrervorgaben, die keine unzulässig großen Abgasströme zur Folge haben, das Fahrverhalten beeinträchtigt wird, da es zwischen der Betätigung der Motorbremse und der Vorgabe eines neuen Fahrerwunschmomentes generell zu einem verzögerten Ansprechverhalten der Brennkraftmaschine kommt.
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Vorteile der Erfindung
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Offenbarung der Erfindung
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Dieses Problem wird gelöst durch ein Verfahren zur Regelung einer Ist-Ausgangsgröße einer Brennkraftmaschine auf eine Führungsgröße, wobei abhängig von mindestens einer physikalischen Größe im Abgasstrang der Brennkraftmaschine ein Maximalwert für die Führungsgröße gebildet wird und die Führungsgröße auf diesen Maximalwert begrenzt wird. Dabei ist vorgesehen, dass beim Deaktivieren einer Motorbremse ausgehend von einem aktuellen Begrenzungswert der Maximalwert für die deaktivierte Motorbremse rampenförmig auf einen Ausgang eines Druckbegrenzungsmoduls aufgeschaltet wird. Eine erste physikalische Größe ist vorzugsweise der Ist-Wert eines Abgasdruckes. Der Abgasdruck ist vorzugsweise der gemessene oder modellierte statische Druck oder Gesamtdruck stromauf eines Strömungselementes. Eine zweite physikalische Größe ist bevorzugt die Ist-Drehzahl eines Turboladers. Die Führungsgröße kann ein Drehmoment und/oder eine Einspritzmenge und/oder eine Drehzahl der Brennkraftmaschine sein. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Maximalwert für die Führungsgröße als Funktion von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine gebildet wird. Die Funktion kann auch als Kennfeld in einem Steuergerät abgelegt sein. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Betriebsparameter Werte der Ist-Drehzahl und/oder der Soll-Drehzahl und/oder des Ist-Momentes und/oder des Soll-Momentes und/oder der Ist-Einspritzmenge und/oder der Soll-Einspritzmenge umfassen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, anhand des zulässigen Abgasdrucks eine Begrenzung der leistungsbestimmenden Führungsgröße, z. B. Einspritzmenge, Drehmoment, zu bestimmen und als Komponentenschutz äquivalent anderer Führungsgrößenbegrenzungen, z. B. der Rauchgrenze, zu koordinieren. Neben der Begrenzung des Fahrerwunsches können auch Drehzahlregelungen, z. B. durch den Leerlaufregler, Arbeitsdrehzahlregler und dergleichen, keine unerwünscht hohen Abgasströme erzeugen. Da die Drehmomentbegrenzung des erfindungsgemäßen Verfahrens nur wirksam wird, wenn eine Beschädigung der Brennkraftmaschine oder eine Beschädigung von Anbauaggregaten droht, kommt es nur bei Drehmomentanforderungen, die auf eine Beschädigung hinauslaufen, zu bei einer Beeinträchtigung des Fahrkomforts durch eine Abweichung des tatsächlich bereitgestellten Momentes der Brennkraftmaschine vom Fahrerwunschmoment. Zudem können durch die erfindungsgemäße Begrenzung auch stationär unzulässig hohe Abgasströme ausgeschlossen werden, insbesondere kann gleichzeitig die Motorbremse und das Fahrpedal betätigt werden oder mit der Motorbremse ein Unterbremsen des Leerlaufreglers realisiert werden. Im Fall der bekannten Lösung ist ein stationärer Komponentenschutz nicht gewährleistet, da die Fahrervorgabe nur verzögert wird und nach der Verzögerungszeit ohne jede Begrenzung umgesetzt wird.
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Das eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch eine Regleranordnung zur Regelung einer Ist-Ausgangsgröße einer Brennkraftmaschine auf eine Führungsgröße, wobei abhängig von mindestens einer physikalischen Größe im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine ein Maximalwert für die Führungsgröße gebildet wird und die Führungsgröße auf diesen Maximalwert begrenzt wird sowie ein Computerprogramm mit Programmcode zur Durchführung aller Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Programm in einem Computer ausgeführt wird.
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Figurenliste
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 eine Skizze einer Brennkraftmaschine als Regelstrecke;
- 2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Regelkreises;
- 3 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Teils eines erfindungsgemäßen Regelkreises;
- 4 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Teils eines erfindungsgemäßen Regelkreises;
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I zeigt eine Skizze einer Brennkraftmaschine mit einem Zylinder 1, in dem ein Kolben 2 in einem Brennraum 7 hin und her beweglich gelagert ist. Der Kolben 2 ist über eine Pleuelstange 3 mit einer Kurbelwelle 4 verbunden. Die Hin- und Herbewegungen des Kolbens 2 werden in eine Drehbewegung mit der Drehzahl n und dem Drehmoment M der Kurbelwelle 4 umgewandelt. Der Zylinder 1 steht hier stellvertretend für einen oder eine Mehrzahl von Zylindern einer Brennkraftmaschine in beliebiger Bauform. Die Brennkraftmaschine umfasst einen Ansaugtrakt 5 sowie einen Abgasstrang 6. Der Abgasstrang 6 umfasst einen Motorauslass 26, der über einen Abgaskrümmer 8 mit einem Strömungselement, hier einem Drosselventil 9, verbunden ist. Das Drosselventil 9 ist über einen Auspuff 10 und gegebenenfalls weitere Strömungselemente, die hier nicht dargestellt sind, wie z. B. Abgaskatalysatoren, weitere Turboladerstufen oder dergleichen, mit der Umgebung verbunden.
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Das Drosselventil 9 als Strömungselement im Abgastrakt der Brennkraftmaschine kann beispielsweise ein regelbarer Turbolader, insbesondere ein Turbolader mit variabler Turbinengeometrie, oder eine regelbare Drossel, beispielsweise eine regelbare Drosselklappe, sein. Das Drosselventil 9 dient in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erhöhung des Abgas(gegen)-Drucks am Motorauslass 7. Durch die Erhöhung des Abgasdrucks soll die durch die Brennkraftmaschine abgegebene Leistung verringert werden, im Idealfall auf einen negativen Wert, so dass die Brennkraftmaschine im Schleppbetrieb arbeitet. Diese Funktion wird auch als Motorbremse bezeichnet.
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Leistung P und Drehzahl n der Brennkraftmaschine werden über die je Einspritzvorgang eingespritzte Kraftstoffmenge Q geregelt, dazu erfolgt zum einen eine Regelung der zugeführten Luftmenge L und zum anderen eine Regelung der zugeführten Kraftstoffmenge Q. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird von einem Dieselmotor ausgegangen, grundsätzlich kommen hier aber auch andere Ausführungsformen, wie z. B. Ottomotoren, in Frage. Führungsgröße zur Regelung von Drehzahl und Leistung der Dieselbrennkraftmaschine ist das angeforderte Drehmoment Msoll, woraus die eingespritzte Kraftstoffmenge Q bestimmt wird. Diese wird von einem Steuergerät 11 gesteuert bzw. geregelt. Geregelt insofern, als dass eine Soll-Drehzahl nsoll und das Soll-Moment Msoll vorgegeben werden, und die Ist-Drehzahl nist sowie das Ist-Moment Mist durch einen Regler auf die Soll-Werte geregelt werden. Die Einspritzeinrichtung ist in 1 nicht dargestellt, hier ist lediglich durch einen Pfeil mit der Bezeichnung Q der Einspritzvorgang als solcher schematisch dargestellt. Stromauf der Drossel 9 wird der Druck p3 sowie der Massendurchfluss ṁA3 ermittelt. Dies kann beispielsweise durch einen Drucksensor zur Messung des statischen Drucks geschehen, wobei der Massendurchsatz beispielsweise auch durch Messung der Luftmasse im Ansaugtrakt 5 und die Bestimmung der Einspritzmenge Q erfolgen kann, da für die Brennkraftmaschine selbstverständlich der Massenerhaltungssatz gilt. Ebenso ist es aber möglich, den Druck p3 stromauf des Drosselventils 9 sowie den Massendurchsatz ṁA3 (d/dt (mA3)) mittelbar über den Betriebszustand der Brennkraftmaschine anhand eines Modells, das in einem Steuergerät abgelegt ist, zu bestimmen, beispielsweise durch Beobachtung von Drehzahl n, Drehmoment M sowie eingespritzter Kraftstoffmenge Q und Stellung St des Steuergliedes 12 der Drossel 9.
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Das Drosselventil 9 ist hier schematisch dargestellt, wobei das Stellglied zur Regelung der Ventilstellung das Bezugszeichen 12 hat. Bei einer regelbaren Drosselklappe ist das Stellglied 12 beispielsweise die Klappe selbst, bei einem regelbaren Turbolader können dies beispielsweise verstellbare Schaufeln sein.
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Handelt es sich bei der regelbaren Drosselstelle 9 um einen Turbolader, so kann zusätzlich beispielsweise dessen Drehzahl nT gemessen werden und dem Steuergerät 11 zur Verfügung gestellt werden.
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2 zeigt eine Skizze eines Reglers für eine Brennkraftmaschine. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Führungsgröße W das Soll-Moment Msoll der Brennkraftmaschine ist und die Regelgröße X das von der Brennkraftmaschine 13 abgegebene Drehmoment trq ist. Stellgröße für die Brennkraftmaschine 13 ist die mit jedem Einspritzvorgang eingespritzte Kraftstoffmenge Q. Diese wird durch ein Koordinationsglied 14 zur Bestimmung der Einspritzmengen Q aus einem Moment MST zur Steuerung der Einspritzmenge Q ermittelt. Das Steuerungsmoment MST wird durch Subtraktion der modifizierten Führungsgröße W, die modifizierte Führungsgröße ist in 2 als W' bezeichnet, und der modifizierten Regelgröße X, diese ist in 2 als X' bezeichnet, gebildet.
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Die Regelanordnung in 2 zeigt einen klassischen geschlossenen Regelkreis, wobei die Brennkraftmaschine 13 die Regelstrecke darstellt, das Koordinierungsglied für die Einspritzung 14 der Regler ist und X bzw. X' die Regelgröße sowie W bzw. W' die Führungsgröße sind. Der Unterschied zwischen X und X' besteht darin, dass die modifizierte Regelgröße X' durch eine Begrenzung aus der Regelgröße X hervorgeht, die Regelgröße X also mit einer Begrenzung auf einen Maximalwert rückgeführt wird. In der Rückführung der Regelgröße X ist ein Begrenzer 15 angeordnet, der das Minimum aus diversen Momentenbegrenzungen als Begrenzungsmoment MLim liefert. Hier können beispielsweise eine Rauchbegrenzung MR, ein Überhitzungsschutz MH und dergleichen als begrenzende Momente eingehen. Erfindungsgemäß geht hier nun zusätzlich ein begrenzendes Moment MP3 ein, das aus dem Druck p3 am Motoraustritt bzw. stromauf des Drosselventils 9 sowie dem Massendurchfluss ṁA3 durch die Brennkraftmaschine 13 ermittelt wird. Aus dem Druck p3 bzw. dem Massendurchsatz ṁA3 wird durch ein Druckbegrenzungsmodul 16 betriebspunktabhängig die Momentenbegrenzung Mp3 ermittelt und auf den Begrenzer 15 parallel zu den anderen Momentenbegrenzungen aufgeschaltet. Betriebspunktabhängig bedeutet hier insbesondere, dass in die Bestimmung der Momentenbegrenzung Mp3 zusätzlich Parameter wie Ist-Drehzahl nist, Soll-Drehzahl nsoll, Ist-Moment Mist, Soll-Moment Msoll, Ist-Drehzahl nT-ist eines Turboladers, Soll-Drehzahl nI-soll eines Turboladers, Ist-Einspritzmenge Qist, Soll-Einspritzmenge Qsoll und dergleichen eingehen können. Die Momentenbegrenzung Mp3 als Maximalwert der Führungsgröße W wird als Funktion der Parameter gebildet, Mp3=f(n, Q, ṁA3, p3...), die als Funktion oder als Kennfeld in einem Steuergerät abgelegt sind. Da die Momentenbegrenzung auf Mp3 insbesondere im transienten Übergang vom Schubbetrieb (abgegebenes Moment der Brennkraftmaschine kleiner oder gleich null) der Brennkraftmaschine auf den antreibenden Betrieb (abgegebenes Moment der Brennkraftmaschine größer null) wirksam wird, können als Sollwerte von Soll-Drehzahl nsoll, Soll-Moment Msoll, , Soll-Drehzahl nT-soll eines Turboladers und Soll-Einspritzmenge Qsoll die Werte nach Übergang in den antreibenden Betrieb verwendet werden, die Ist-Werte von Ist-Drehzahl nist, Ist-Moment Mist, Ist-Drehzahl nT-ist eines Turboladers, Ist-Einspritzmenge Qist können während des Übergangs laufend neu bestimmt werden.
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Der Ausgang des Begrenzers 15 ist mit dem Eingang eines weiteren Begrenzers 25 verbunden, an dem des Weiteren das Signal eines Drehzahlreglers 17 (als Moment) anliegt. Der Ausgang des Weiteren Begrenzers 25 ist an eine Additionsstelle 18 mit negativem Vorzeichen gelegt. Der Ausgang des Weiteren Begrenzers 16 ist des Weiteren an eine Additionsstelle 19 mit negativem Vorzeichen gelegt, wobei an die Additionsstelle 19 des Weiteren der Ausgang des Begrenzers 15 mit positivem Vorzeichen gelegt ist. Diese Differenz ist auf einen dritten Begrenzer 20, an den ebenfalls die Führungsgröße W, dies ist das Fahrer-Wunschmoment Mw, gelegt ist. Der Ausgang des dritten Begrenzers 20 ist über einen Führungsformer 21 mit positivem Kennzeichen auf die Additionsstelle 18 gelegt. Der Führungsformer bildet ein Signal an seinem Eingang a auf ein Signal b an seinem Ausgang als Funktion b = f(a) ab.
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3 zeigt einen Teil eines Regelkreises für eine Brennkraftmaschine mit einem regelbaren Turbolader als Drosselventil 9. Der Turbolader umfasst eine Möglichkeit zur Messung der Turbolader-lst-Drehzahl n_ist. Für den Turbolader ist des Weiteren die zulässige Drehzahl n_zul bekannt. Aus beiden Angaben wird nun das Begrenzungsmoment MLm ermittelt. Die Differenz aus der zulässigen Drehzahl n_zul und der Ist-Drehzahl n_ist des Turboladers wird mit einem Substrahierer 22 ermittelt und auf den Eingang eines PID-Reglers 23 gelegt. Dessen Ausgang ist mittels eines Begrenzers 24 begrenzt und liefert das Begrenzungsmoment Ml.m. Auf den Begrenzer 24 ist als Minimalgröße MN im vorliegenden Fall der Wert null aufgeschaltet, als Maximalwert MX ist das Minimum aus diversen weiteren Begrenzungsmomenten wie dem Rauchlimit M_Rauch_Lim, einer Temperaturbegrenzung M_Temp_Lim, einer maximalen Drehmomentbegrenzung M_Trq_Lim und einer Momentenbegrenzung zur Verhinderung von Defekten M_Defekt_Lim aufgeschaltet. Das am Ausgang des Wirkungsplanes gemäß 3 anliegende Begrenzungsmoment M_P3 entspricht dem am Ausgang des Begrenzers 15 in 2 anliegenden Begrenzungsmoment. Der gesamte Strang bestehend aus Begrenzer 15 und Begrenzer 16 in 2 kann also durch den Teilregler gemäß 3 ersetzt werden.
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4 zeigt eine alternative Gestaltung des Druckbegrenzungsmoduls 16 des Regelkreises. Hier wird davon ausgegangen, dass die Ansteuerung der Drossel 9 nicht durch die Motorsteuerung vorgenommen wird, sondern durch einen eigenständigen Schalter, von dem einzig die Schalterstellung im Motorsteuergerät bekannt ist. In diesem Fall wird der Maximaldruck rampenartig aufgeschaltet.
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Der Schaltungsteil der 4 ersetzt in 2 das Druckbegrenzungsmodul 16. Beim Aktivieren der Motorbremse wird ausgehend vom aktuellen Begrenzungswert (Ausgang MN-Glied in 4) der Begrenzungswert für aktivierte Motorbremse (M_P3_MIN) rampenförmig auf den Ausgang des Druckbegrenzungsmoduls 16 (M_P3_Liml) aufgeschaltet. Beim Deaktivieren der Motorbremse wird ausgehend vom aktuellen Begrenzungswert (M_P3_Liml) der Begrenzungswert für die deaktivierte Motorbremse (M_P3_MAX) rampenförmig auf den Ausgang des Druckbegrenzungsmoduls 16 (M_P3_Lim1 ) aufgeschaltet.