DE102006022148B4 - Method for controlling the total air mass to be supplied to an internal combustion engine - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, wobei die Brennkraftmaschine (2) einlassseitig einen Ansaugtrakt (4) und auslassseitig einen Abgastrakt (6) aufweist, und eine steuerbare Abgasturboladereinrichtung (10) mit einem Verdichter (10b) im Ansaugtrakt (4) und einer Turbine (10a) im Abgastrakt (6) sowie eine steuerbare Abgasrückführeinrichtung (8) zur Steuerung eines Abgasrückführstroms (MEGR) vorhanden sind, mit folgenden Verfahrensschritten:
- Bestimmen eines Soll-Abgasrückführstromes (MEGR), eines die Turbine (10a) beaufschlagenden Soll-Abgasstromes (MVTG) und eines Soll-Abgasdrucks (PENG_OUT) im Abgastrakt in Abhängigkeit
◯ einer Soll-Frischluftmasse (MAIR_SOLL) und eines Soll-Ladedrucks (pENG_IN_SOLL) oder
◯ zweier mit der Soll-Frischluftmasse (MAIR_SOLL) und dem Soll-Ladedruck (pENG_IN_SOLL) korrelierender Soll-Größen;
- in Abhängigkeit des Soll-Abgasrückführstromes (MEGR) und des Soll-Abgasdrucks (PENG_OUT), Bestimmen einer ersten Vorsteuergröße (SW1) eines ersten Regelkreises (RK1) unter Verwendung eines ersten Berechnungsmodells (M1), wobei der erste Regelkreis (RK1) eine erste Stellgröße (SEGR) zur Steuerung der Abgasrückführeinrichtung (8) erzeugt; und
- in Abhängigkeit des Soll-Abgasdrucks (pENG_OUT) und des Soll-Abgasstromes (MVTG), Bestimmen einer zweiten Vorsteuergröße (SW2) eines zweiten Regelkreises (RK2) unter Verwendung eines zweiten Berechnungsmodells (M2), wobei der zweite Regelkreis (RK2) eine zweite Stellgröße (SVTG) zur Steuerung der Abgasturboladereinrichtung (10) erzeugt.

Figure DE102006022148B4_0000
Method for controlling an internal combustion engine of a motor vehicle, wherein the internal combustion engine (2) has an intake tract (4) on the inlet side and an exhaust tract (6) on the outlet side, and a controllable exhaust gas turbocharger device (10) with a compressor (10b) in the intake tract (4) and a turbine (10a) in the exhaust gas tract (6) and a controllable exhaust gas recirculation device (8) for controlling an exhaust gas recirculation flow (M EGR ) are present, with the following process steps:
- Determining a desired exhaust gas recirculation flow (M EGR ), a turbine ( 10 a ) acting on the desired exhaust gas flow (M VTG ) and a target exhaust gas pressure (P ENG_OUT ) in the exhaust system in dependence
◯ a target fresh air mass (MAIR_SOLL) and a target boost pressure (p ENG_IN_SOLL ) or
◯ two desired variables correlating with the desired fresh air mass (MAIR_SOLL) and the desired boost pressure (p ENG_IN_SOLL );
depending on the desired exhaust gas recirculation flow (M EGR ) and the target exhaust gas pressure (PENG_OUT), determining a first pilot control quantity (SW1) of a first control loop (RK1) using a first calculation model (M1), wherein the first control loop (RK1) has a first manipulated variable (S EGR ) for controlling the exhaust gas recirculation device (8) generated; and
in dependence on the desired exhaust pressure (p ENG_OUT ) and the desired exhaust gas flow (M VTG ), determining a second pilot control variable (SW2) of a second control loop (RK2) using a second calculation model (M2), wherein the second control loop (RK2) generates a second manipulated variable (S VTG ) for controlling the exhaust gas turbocharger device (10).
Figure DE102006022148B4_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der einer Brennkraftmaschine zuzuführenden Gasmasse bei einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit einer Abgasladereinrichtung und einer Abgasrückführeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method for controlling the gas mass to be supplied to an internal combustion engine in an internal combustion engine of a motor vehicle having an exhaust gas charging device and an exhaust gas recirculation device according to the preamble of claim 1.

Es sind derzeit Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotoren mit einem Abgasturbolader und einer Abgasrückführeinrichtung bekannt, bei denen die Regelung der (der Brennkraftmaschine zuzuführenden) Gasmasse in zwei getrennten Regelkreisen in jeweils unterschiedlichen Betriebsbereichen erfolgt. In einem ersten Betriebsbereich, dem so genannten Abgasrückführ-Betriebsbereich, erfolgt die Regelung der Ist-Frischluftmasse auf die Soll-Frischluftmasse durch einen das Ventil der Abgasrückführeinrichtung steuernden ersten Regler. In diesem Betriebsbereich erfolgt die Steuerung des Abgasturboladers (und damit des Ladedruckes) (und somit im Wesentlichen die Gasmasse die der Brennkraftmaschine zugeführt wird) gemäß einem hinterlegten Kennfeld. In einem zweiten Betriebsbereich, außerhalb des Abgasrückführ-Regelbereichs, erfolgt die Regelung des Ist-Ladedrucks (Druck im Ansaugtrakt im Bereich der Einlasskanäle bzw. im Ansaugkrümmer/Luftsammler) auf einen Soll-Ladedruck durch einen den Abgasturbolader steuernden zweiten Regler, während das Ventil der Abgasrückführeinrichtung (und damit die Frischluftmasse) kennfeldabhängig gesteuert wird oder in den geschlossenen Zustand überführt wird. Ein derartiges System ist bei den derzeit aktuellen BMW-Diesel-Fahrzeugen mit Abgasturbolader und Abgasrückführeinrichtung realisiert. Unter günstigen Bedingungen ist es möglich mit diesem System in Teilbereichen beide Sollgrößen Frischluftmasse und Ladedruck) durch die beiden unabhängigen Regler einzuregeln. Nachteilig ist aber, dass die Leistungsfähigkeit der Regler nicht voll genutzt werden kann (künstlich beschränkt werden muss) um unerwünschte Schwingungen oder Wechselwirkungen zwischen den beiden Reglern zu vermeiden.There are currently known motor vehicles with internal combustion engines with an exhaust gas turbocharger and an exhaust gas recirculation device, in which the control of the (to be supplied to the internal combustion engine) gas mass in two separate control circuits takes place in different operating ranges. In a first operating range, the so-called exhaust gas recirculation operating range, the regulation of the actual fresh air mass to the desired fresh air mass is effected by a first regulator controlling the valve of the exhaust gas recirculation device. In this operating range, the control of the exhaust gas turbocharger (and thus of the boost pressure) takes place (and thus essentially the gas mass which is supplied to the internal combustion engine) in accordance with a stored characteristic map. In a second operating range, outside of the exhaust gas recirculation control range, the control of the actual boost pressure (pressure in the intake tract in the region of the intake ducts or in the intake manifold / air collector) to a target boost pressure by the exhaust gas turbocharger controlling second controller, while the valve of the Exhaust gas recirculation device (and thus the fresh air mass) is controlled map-dependent or is transferred to the closed state. Such a system is implemented in the current BMW diesel vehicles with turbocharger and exhaust gas recirculation system. Under favorable conditions, it is possible with this system to regulate both setpoints fresh air mass and boost pressure in subregions by the two independent controllers. The disadvantage, however, is that the performance of the controller can not be fully utilized (artificially limited) to avoid unwanted vibrations or interactions between the two controllers.

In der Druckschrift DE 10 2005 015 609 A1 ist eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine beschrieben. Die Brennkraftmaschine weist einen Abgasturbolader auf, der ein Abgasturbolader-Stellglied umfasst. Sie weist ferner eine Abgasrückführ-Einrichtung auf, die ein Abgasrückführventil umfasst. Es ist ein Abgasturbolader-Regler vorgesehen, der abhängig von dem Soll-Ladedruck und einem Ist-Ladedruck einen Regel-Stellgrößen-Abgasgegendruck ermittelt. Ferner ist ein Abgasrückführ-Regler vorgesehen, der abhängig von einem Soll-Luftmassenstrom und einem Ist-Luftmassenstrom einen Regel-Stellgrößen-Abgasrückführmassenstrom ermittelt. Für jeden Regler ist jeweils eine Vorsteuerung vorgesehen. Ferner sind zwei Entkoppelungseinheiten vorgesehen, um die beiden Regelkreise zu entkoppeln. Darüber hinaus ist eine erste Umsetzungseinheit zum Ermitteln eines Abgasturbolader-Stellsignals vorgesehen. Sie umfasst einen Block mit einem inversen physikalischen Modell des abgasseitigen Teils der Aufladung. Das Modell ist so ausgebildet, dass mittels der Summe des Vorsteuerungs-Stellgrößen-Abgasgegendrucks und des Regel-Stellgrößen-Abgasgegendrucks, dem Entkopplungs-Massenstrom und bevorzugt mindestens einer weiteren Betriebsgröße der Brennkraftmaschine ein Eingangssignal für einen Block ermittelt wird. Darüber hinaus ist eine zweite Umsetzungseinheit vorgesehen, die ausgebildet ist zum Ermitteln eines Abgasrückführventil-Stellsignals, abhängig von dem Vorsteuerungs-Stellgrößen-Abgasrückführmassenstrom, dem Regel-Stellgrößen-Abgasrückführmassenstrom, dem Entkopplungs-Abgasgegendruck und bevorzugt mindestens einer Betriebsgröße der Brennkraftmaschine. Die zweite Umsetzungseinheit umfasst einen Block, 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 ermittelbar. Das Modell ist abhängig von dem Vorsteuerungs-Stellgrößen-Abgasrückführmassenstrom, dem Regel-Stellgrößen-Abgasrückführmassenstrom, dem Entkopplungs-Abgasgegendruck und bevorzugt mindestens einer Betriebsgröße, die beispielsweise ein Druckverhältnis des Drucks stromabwärts und stromaufwärts des Abgasrückführventils und/oder die Temperatur des Gases stromaufwärts des Abgasrückführventils ist.In the publication DE 10 2005 015 609 A1 a device for controlling an internal combustion engine is described. The internal combustion engine has an exhaust gas turbocharger, which comprises an exhaust gas turbocharger actuator. It also has an exhaust gas recirculation device, which comprises an exhaust gas recirculation valve. An exhaust-gas turbocharger regulator is provided, which determines a control actuating variable exhaust backpressure as a function of the desired boost pressure and an actual boost pressure. Further, an exhaust gas recirculation controller is provided which determines a control manipulated variable exhaust gas recirculation mass flow depending on a desired air mass flow and an actual air mass flow. For each controller, a pilot control is provided in each case. Furthermore, two decoupling units are provided to decouple the two control circuits. In addition, a first conversion unit for determining an exhaust-gas turbocharger actuating signal is provided. It includes a block with an inverse physical model of the exhaust side of the charge. The model is designed so that an input signal for a block is determined by means of the sum of the pre-control manipulated variable exhaust back pressure and the control manipulated variable exhaust back pressure, the decoupling mass flow and preferably at least one further operating variable of the internal combustion engine. In addition, a second conversion unit is provided, which is designed to determine an exhaust gas recirculation valve control signal, depending on the pilot control manipulated variable exhaust gas recirculation mass flow, the control manipulated variable exhaust gas recirculation mass flow, the decoupling exhaust backpressure and preferably at least one operating variable of the internal combustion engine. The second conversion unit comprises a block comprising an inverse physical model of the exhaust gas recirculation device. By means of this inverse physical model of the exhaust gas recirculation device is a position to be set of the exhaust gas recirculation valve or to be set opening degree of the exhaust gas recirculation valve can be determined. The model is dependent on the pilot control manipulated variable exhaust gas recirculation mass flow, the control manipulated variable exhaust gas recirculation mass flow, the decoupling exhaust backpressure and preferably at least one operating variable, for example a pressure ratio of the pressure downstream and upstream of the exhaust gas recirculation valve and / or the temperature of the gas upstream of the exhaust gas recirculation valve is.

Zum Stand der Technik wird ferner noch auf das Dokument „Füllungserfassung für aufgeladene Dieselmotoren“, H.-G. Nitzke, T. Rebol, in VDI-Berichte, Nr. 1672, 2002, Seite 317 verwiesen.The prior art is further referred to the document "charge detection for supercharged diesel engines", H.-G. Nitzke, T. Rebol, in VDI Reports, No. 1672, 2002, p 317 directed.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regelung der einer Brennkraftmaschine zuzuführenden Gasmasse als auch die Zusammensetzung des zugeführten Gases (Motorfüllung: Menge und Zusammensetzung aus Abgas und Frischluft) bei einer Brennkraftmaschine mit Abgasladereinrichtung und Abgasrückführeinrichtung bereit zu stellen, bei dem die Leistungsfähigkeit verbessert ist. Insbesondere sollen die beschriebenen Nachteile beseitigt werden und eine Regelung in einem breiteren Betriebsbereich der Brennkraftmaschine ohne Störeinflüsse ermöglicht werden.The invention has for its object to provide a method for controlling the gas to be supplied to an internal combustion engine and the composition of the supplied gas (engine filling: amount and composition of exhaust gas and fresh air) in an internal combustion engine with exhaust gas charger device and exhaust gas recirculation device, in which improves the performance is. In particular, the described disadvantages are to be eliminated and a control in a wider operating range of the internal combustion engine without interference be enabled.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, während in den Unteransprüchen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung angegeben sind.According to the invention the object is achieved by the totality of the features of claim 1, while in the dependent claims preferred embodiments of the invention are given.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs wird vorausgesetzt, dass die Brennkraftmaschine einlassseitig einen Ansaugtrakt und auslassseitig einen Abgastrakt aufweist, und eine steuerbare Abgasturboladereinrichtung mit einem Verdichter im Ansaugtrakt und einer Turbine im Abgastrakt sowie eine steuerbare Abgasrückführeinrichtung zur Steuerung eines Abgasrückführstroms vorhanden sind. Das Verfahren umfasst die folgenden Verfahrensschritte:

  • - Bestimmen eines Soll-Abgasrückführstromes, eines die Turbine beaufschlagenden Soll-Abgasstromes und eines Soll-Abgasdrucks im Abgastrakt in Abhängigkeit einer Soll-Frischluftmasse und eines Soll-Ladedrucks oder im Fall einer alternativen Ausgestaltung in Abhängigkeit zweier mit der Soll-Frischluftmasse und dem Soll-Ladedruck korrelierender Soll-Größen;
  • - in Abhängigkeit des Soll-Abgasrückführstromes und des Soll-Abgasdrucks, Bestimmen einer ersten Vorsteuergröße eines ersten Regelkreises unter Verwendung eines ersten Berechnungsmodells, wobei der erste Regelkreis eine erste Stellgröße zur Steuerung der Abgasrückführeinrichtung erzeugt; und
  • - in Abhängigkeit des Soll-Abgasdrucks und des Soll-Abgasstromes, Bestimmen einer zweiten Vorsteuergröße eines zweiten Regelkreises unter Verwendung eines zweiten Berechnungsmodells, wobei der zweite Regelkreis eine zweite Stellgröße zur Steuerung der Abgasturboladereinrichtung erzeugt.
In the method according to the invention for controlling an internal combustion engine of a motor vehicle, it is assumed that the internal combustion engine has an intake tract on the intake side and an exhaust tract on the exhaust side, and a controllable exhaust gas turbocharger device with a compressor in the intake tract and a turbine in the exhaust gas tract and a controllable exhaust gas recirculation system for controlling an exhaust gas recirculation flow. The method comprises the following method steps:
  • Determining a desired exhaust gas recirculation flow, a desired exhaust gas flow acting on the turbine and a desired exhaust gas pressure in the exhaust gas tract as a function of a desired fresh air mass and a desired boost pressure or in the case of an alternative embodiment as a function of two with the desired fresh air mass and the desired Boost pressure of correlated desired quantities;
  • in dependence on the desired exhaust gas recirculation flow and the desired exhaust gas pressure, determining a first pilot control variable of a first control loop using a first calculation model, the first control loop generating a first control variable for controlling the exhaust gas recirculation device; and
  • in dependence on the desired exhaust gas pressure and the desired exhaust gas flow, determining a second pilot control variable of a second control loop using a second calculation model, the second control loop generating a second control variable for controlling the exhaust gas turbocharger device.

Es ist von Vorteil, wenn die erste Stellgröße und die zweite Stellgröße jeweils aus einer Stellgröße eines Reglers des ersten Regelkreises bzw. zweiten Regelkreises und der ersten Vorsteuergröße bzw. zweiten Vorsteuergröße ermittelt werden. Alternativ kann die jeweilige Stellgröße eines Reglers des ersten Regelkreises bzw. zweiten Regelkreises als zusätzliche Eingangsgröße auf den Eingang des ersten Berechnungsmodells bzw. zweiten Berechnungsmodels geschaltet werden.It is advantageous if the first manipulated variable and the second manipulated variable are each determined from a manipulated variable of a regulator of the first control loop or second control loop and the first pilot control variable or second pilot control variable. Alternatively, the respective manipulated variable of a regulator of the first control loop or second control loop can be switched as an additional input variable to the input of the first calculation model or second calculation model.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

  • 1: in schematischer Darstellung den Aufbau einer Brennkraftmaschine mit Abgasladereinrichtung und Abgasrückführeinrichtung nebst entsprechender Logikeinheit zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
  • 2: ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. zur Veranschaulichung der Arbeitsweise der Logikeinheit gemäß 1.
An embodiment of the invention is illustrated in the drawing and will be described in more detail below. Show it:
  • 1 in a schematic representation of the structure of an internal combustion engine with exhaust gas charger device and exhaust gas recirculation device together with a corresponding logic unit for carrying out the method according to the invention, and
  • 2 : a block diagram for illustrating the method according to the invention or for illustrating the mode of operation of the logic unit according to FIG 1 ,

1 zeigt eine Brennkraftmaschine 2 mit einem einlassseitigen Ansaugtrakt 4, einem auslassseitigen Abgastrakt 6, einer den Abgastrakt 6 mit dem Ansaugtrakt 4 verbindenden Abgasrückführeinrichtung 8 mit einem steuerbaren Abgasrückführventil 8a, einer steuerbaren Abgasladereinrichtung 10 und einer Logikeinheit 12 zur Steuerung bzw. Regelung der Abgasrückführeinrichtung 8 und der Abgasladereinrichtung 10. 1 shows an internal combustion engine 2 with an inlet-side intake tract 4 , an exhaust-side exhaust tract 6 , one the exhaust tract 6 with the intake tract 4 connecting exhaust gas recirculation device 8th with a controllable exhaust gas recirculation valve 8a , a controllable exhaust gas charger device 10 and a logic unit 12 for controlling the exhaust gas recirculation device 8th and the exhaust gas charger 10 ,

Die Anordnung zeigt lediglich den schematischen Aufbau einer Brennkraftmaschine 2 mit den für die Erläuterung der Erfindung wesentlichen Komponenten. Weitere Komponenten, wie eine Drosselklappe, ein Ladeluftkühler, ein Abgasrückführkühler, ein Katalysator oder ein Partikelfilter sind der Übersicht halber weggelassen worden. Auch eine Kraftstoffzufuhreinrichtung in Form einer Einspritzanlage oder dergleichen ist aus diesen Gründen nicht dargestellt - wobei bei der Betrachtung der Massenverhältnisse bei den Regelvorgängen die Auswirkungen der nicht dargestellten Komponenten, insbesondere die Abkühlung der Luft- und Abgasmassen sowie die eingespritzte Kraftstoffmasse stets Berücksichtigung finden.The arrangement shows only the schematic structure of an internal combustion engine 2 with the essential components for the explanation of the invention. Other components, such as a throttle, a charge air cooler, an exhaust gas recirculation cooler, a catalyst or a particulate filter have been omitted for clarity. A fuel supply device in the form of an injection system or the like is not shown for these reasons - taking into account the effects of the components not shown, in particular the cooling of the air and exhaust gas masses and the injected fuel mass always considered when considering the mass ratios in the control processes.

Gemäß der Erfindung erfolgt die Regelung der der Brennkraftmaschine 2 zuzuführenden Gasmasse MENG_IN sowie die Zusammensetzung dieser aus Frischluft MHFM sowie zurückgeführtem Abgas MEGR , indem in einem ersten Regelkreis die Zusammensetzung der Gasmasse MENG_IN in Abhängigkeit von der ansaugseitig zugeführten (und über einen Heißfilmsensor HFM erfassten) Frischluftmasse MHFM durch Steuerung des Abgasrückführventils 8a auf einen vorbestimmten Sollwert eingestellt bzw. eingeregelt wird. Hierdurch bedingt, erfolgt zwangsläufig eine Veränderung des Abgasrückführstroms MEGR , wodurch wiederum zwangsläufig die die Turbine 10a der Abgasladereinrichtung 10 antreibende Abgasmasse MVTG und damit der auf die Turbine 10a wirkende Abgasdruck pENG_OUT verändert wird. Erfindungsgemäß wird in einem zweiten Regelkreis der Ladedruck PENG_IN in Abhängigkeit von der die Turbine 10a beaufschlagenden Abgasmasse MVTG bzw. dem die Turbine 10a beaufschlagenden Abgasdruck pEng_out durch Steuerung der Abgasladereinrichtung 10 eingeregelt, derart, dass eine aufgrund der Änderung des Abgasrückführstroms MEGR eintretende Veränderung des Ladedruckes pENG_IN im Ansaugtrakt 4 ausgeglichen wird. Das heißt, dass, eine aufgrund der Steuerung des Abgasrückführventils 8a herbeigeführte Veränderung des Ladedruckes pENG_IN (bzw. eine Änderung der zugeführten Gasmasse MENG_IN ) im Ansaugtrakt 4, durch eine zeitnahe oder gar eine zeitlich vorausschauende Steuerung der Abgasladereinrichtung 10 ausgeglichen wird - quasi zeitgleich oder präventiv (im Voraus) ein Gegenregeleinriff erfolgt. Auch führt ein veränderndes Stellsignal an der Abgasladereinrichung 10 zu einer Änderung des Abgasdrucks pENG_OUT , woraus sich eine Änderung von Frischluftmasse MHFM , Ladedruck pENG_IN sowie Gasmasse MENG_IN ergibt. Es erfolgt daher zeitgleich ein Stelleingriff der Abgasrückführeinrichtung 8 in Abhängikeit von Abgasdruck pENG_OUT . Ladedruck pENG_IN und Frischluftmasse MHFM um die Änderung der Zusammensetzung der Gasmasse MENG_IN auszugleichen.According to the invention, the control of the internal combustion engine takes place 2 supplied gas mass M ENG_IN as well as the composition of these from fresh air M HFM and recirculated exhaust gas M EGR in that, in a first control loop, the composition of the gas mass M ENG_IN depending on the fresh air mass supplied on the intake side (and detected via a hot film sensor HFM) M HFM by controlling the exhaust gas recirculation valve 8a is set or adjusted to a predetermined desired value. As a result, a change in the exhaust gas recirculation flow inevitably occurs M EGR , which in turn inevitably causes the turbine 10a the exhaust gas charger device 10 driving exhaust mass M VTG and with it on the turbine 10a acting exhaust pressure p ENG_OUT is changed. According to the invention, the boost pressure is in a second control loop P ENG_IN depending on the turbine 10a acting exhaust gas mass M VTG or the turbine 10a acting exhaust gas pressure p eng_out by controlling the exhaust gas charger device 10 adjusted such that one due to the change in the exhaust gas recirculation flow M EGR occurring change in the boost pressure p ENG_IN in the intake tract 4 is compensated. That is, one, due to the control of the exhaust gas recirculation valve 8a Induced change in boost pressure p ENG_IN (or a change in the supplied gas mass M ENG_IN ) in the intake tract 4 , by a timely or even a time-anticipatory control of the exhaust gas charger device 10 is compensated - virtually at the same time or preventively (in advance) a counter-rule action takes place. Also leads a changing control signal to the Abgasladereinrichung 10 to a change in the exhaust pressure p ENG_OUT , resulting in a change of fresh air mass M HFM , Boost pressure p ENG_IN as well as gas mass M ENG_IN results. There is therefore at the same time a control intervention of the exhaust gas recirculation device 8th depending on exhaust pressure p ENG_OUT , boost pressure p ENG_IN and fresh air mass M HFM to change the composition of the gas mass M ENG_IN compensate.

Die Abgasladereinrichtung 10 kann durch Verstellung der Turbinenschaufeln der Turbine 10a und/oder durch Steuerung von Bypassventilen der Turbine 10a und/oder des Verdichters 10b in ihrer Förderleistung gesteuert werden, während die Steuerung der Abgasrückführeinrichtung 10 durch die Verstellung des beispielsweise als elektromagnetisches oder pneumatisches Stellventil ausgebildeten Abgasrückführventils 8a erfolgt.The exhaust gas charger device 10 can by adjusting the turbine blades of the turbine 10a and / or by controlling by-pass valves of the turbine 10a and / or the compressor 10b be controlled in their capacity, while the control of the exhaust gas recirculation device 10 by the adjustment of the example formed as an electromagnetic or pneumatic control valve exhaust gas recirculation valve 8a he follows.

In einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung erfolgt die Regelung der der Brennkraftmaschine 2 zuzuführenden Gasmasse MENG_IN (bzw. die Regelung von deren Zusammensetzung) gemäß einer so genannten flachheitsbasierten Regelung. Zur Realisierung der Regelungsmethode der flachheitsbasierten Regelung wird an dieser Stelle auf zwei Konferenz-Veröffentlichungen ( 1. M. Fliess, J. L'evine, Ph. Martin, F. Ollivier, P Rouchon - Controlling nonlinear systems by flatness - in C.I. Byrnes, editor, Systems And Control in the Twenty-Firts Century, Seite 137 - 154, Boston, 1997; 2 . Ph. Martin, R.M. Murray, P. Rouchon - Flat systems - in: G. Bastin and M. Gevers, editors, Plenary Lectures and Minicourses - Proc. ECC 97, Seite 211 - 264, Brussels, 1997 ) verwiesen, die diesbezüglich vollumfänglich in den Offenbarungsgehalt dieser Anmeldung mit einbezogen werden. Die flachheitsbasierte Regelungsmethode ist eine nichtlineare Regelungsmethode. Systeme, die mittels der flachheitsbasierten Regelungsmethode geregelt werden sollen, müssen bestimmte Kriterien erfüllen, damit eine derartige Regelung überhaupt durchführbar ist. Durch eine entsprechende Reduktion des physikalischen Modells der vorstehend beschriebenen Brennkraftmaschine 2 nebst Komponenten wurden die Systemvoraussetzungen erfüllt. Insbesondere ist das System hierfür auf folgende Mindest(zustands)größen reduziert worden: Laderzustand (Drehzahl oder eine äquivalente Größe) sowie Ladedruck (oder eine äquivalente Größe z.B. Masse im Ansaugtrakt). Um ein bestmögliches Regelungsergebnis zu erzielen (aber gleichzeitig die für die Anwendung der flachheitsbasierten Regelungsmethode erforderliche Reduzierung des Systems einzuhalten) sind vorzugsweise weitere folgende Größen zu berücksichtigen: Druckverluste im Luftfilter, im Abgaskühler, im Ladeluftkühler, im Katalysator und/oder im Partikelfilter. Temperaturen bzw. Temperaturänderungen im Abgaskühler, im Ladeluftkühler und/oder im Luftsammler.In a particularly preferred embodiment of the invention, the control of the internal combustion engine takes place 2 supplied gas mass M ENG_IN (or the regulation of their composition) according to a so-called flatness-based control. For the realization of the control method of the flatness-based control, two conference papers ( 1. M. Fliess, J. L'evine, Ph. Martin, F. Ollivier, P. Rouchon - controlling nonlinear systems by flatness - in CI Byrnes, editor, Systems and Control in the Twenty-Firts Century, page 137-154, Boston, 1997; 2 , Martin, RM Murray, P. Rouchon - Flat Systems - G. Bastin and M. Gevers, editors, Plenary Lectures and Minicourses - Proc. ECC 97, page 211-264, Brussels, 1997 ), which in this respect are fully included in the disclosure of this application. The flatness-based control method is a nonlinear control method. Systems to be controlled by the flatness-based control method must meet certain criteria in order for such a scheme to be feasible at all. By a corresponding reduction of the physical model of the internal combustion engine described above 2 In addition to components, the system requirements were met. In particular, the system has been reduced for this to the following minimum (state) sizes: loader state (speed or an equivalent size) and boost pressure (or an equivalent size eg mass in the intake tract). In order to achieve the best possible control result (but at the same time to comply with the required for the application of the flatness-based control method reduction of the system) are preferably other sizes to consider: pressure losses in the air filter, the exhaust gas cooler, in the intercooler, in the catalyst and / or in the particulate filter. Temperatures or temperature changes in the exhaust gas cooler, in the intercooler and / or in the air collector.

Durch die Anwendung der flachheitsbasierten Regelungsmethode ist es nunmehr möglich, aus einem gewünschten Verlauf von Sollgrößen (hier: Ladedruck pENG_IN' und Frischluftmasse MAIR_SOLL') die erforderlichen Stellsignale (Stellsignal SEGR für die Abgasrückführeinrichtung 8 und Stellsignal SVTG für die Abgasladereinrichtung 10) zu berechnen.By applying the flatness-based control method, it is now possible from a desired course of setpoints (here: boost pressure p ENG_IN ' and fresh air mass M AIR_SOLL ' ) the required actuating signals (control signal S EGR for the exhaust gas recirculation device 8th and control signal S VTG for the exhaust gas charger device 10 ) to calculate.

Das erfindungsgemäße Verfahren, und damit die Funktionsweise der Logikeinheit 12, werden nachfolgend anhand von 2 erläutert. Gemäß 2 umfasst ein mögliches System zur Regelung der der Brennkraftmaschine 2 zuzuführenden Gasmasse MENG_IN (tatsächliche Masse bzw. Zusammensetzung der Gasmasse) einen ersten Regelkreis RK1 zur Regelung der Zusammensetzung der Gasmasse MENG_IN , und einen zweiten Regelkreis RK2 zur Regelung des Ladedruckes pENG_IN (wobei die Regelkreise wechselseitig aufeinander wirken und sich zu einem geschlossenen Gesamtregelkreis vereinen) und damit zur Regelung der tatsächlichen Gasmasse und Zusammensetzung des zugeführten Gasstroms.The inventive method, and thus the operation of the logic unit 12 , are described below by means of 2 explained. According to 2 includes a possible system for controlling the internal combustion engine 2 supplied gas mass M ENG_IN (actual mass or composition of the gas mass) a first control loop RK1 for regulating the composition of the gas mass M ENG_IN , and a second control loop RK2 for regulating the boost pressure p ENG_IN (Where the control circuits interact with each other and combine to form a closed loop) and thus to control the actual gas mass and composition of the supplied gas stream.

Der erste Regelkreis RK1 umfasst einen Regler R1 zur Erzeugung einer Reglerstellgröße SR1 und ein Berechnungsmodell M1 zur Ermittlung einer Vorsteuergröße SW1. Die Reglerstellgröße SR1 wird in Abhängigkeit von einem Frischluftmasse-Sollwert MAIR_Soll und einem Frischluftmasse-Istwert MHFM ermittelt. Parallel hierzu wird über das Berechnungsmodell M1 ein Vorsteuerwert SW1 in Abhängigkeit von der über die Abgasrückführeinrichtung 8 zurückgeführten Abgasluftmasse MEGR und dem im Abgastrakt 6 bzw. im Abgasrückführkanal der Abgasrückführeinrichtung 8 (in Strömungsrichtung gesehen) vor dem Abgasrückführventil 8a herrschenden Abgasdruck pENG_OUT ermittelt. Als weitere Eingangsgröße zur Berechnung des Vorsteuerwertes SW1 wird mit Vorteil noch die Abgastemperatur TENG_OUT im Abgastrakt 6 und/oder der Ladedruck pENG_IN im Ansaugtrakt 4 herangezogen. Aus der Reglerstellgröße SR1 und der Vorsteuergröße SW1 wird eine resultierende Stellgröße SEGR zur Steuerung der Abgasrückführeinrichtung 8 gebildet.The first control loop RK1 includes a regulator R1 for generating a controller manipulated variable S R1 and a calculation model M1 for determining a pre-tax amount SW1 , The controller control variable S R1 becomes dependent on a fresh air mass setpoint M AIR_soll and a fresh air mass actual value M HFM determined. Parallel to this is the calculation model M1 a pre-tax value SW1 depending on the over the exhaust gas recirculation device 8th recycled exhaust air mass M EGR and in the exhaust tract 6 or in the exhaust gas recirculation channel of the exhaust gas recirculation device 8th (seen in the flow direction) in front of the exhaust gas recirculation valve 8a prevailing exhaust pressure p ENG_OUT determined. As further input variable for the calculation of the pre-control value SW1 is with advantage still the exhaust gas temperature T ENG_OUT in the exhaust tract 6 and / or the boost pressure p ENG_IN in the intake tract 4 used. From the controller control variable S R1 and the pilot tax quantity SW1 becomes a resulting manipulated variable S EGR for controlling the exhaust gas recirculation device 8th educated.

Der zweite Regelkreis RK2 umfasst einen weiteren Regler R2 zur Erzeugung einer Reglerstellgröße SR2 und ein weiteres Berechnungsmodell M2 zur Ermittlung einer Vorsteuergröße SW2. Die Reglerstellgröße SR2 wird dabei in Abhängigkeit von einem Ladedruck-Sollwert pENG_IN_Soll' und einem Ladedruck-Istwert pENG_IN ermittelt. Parallel hierzu wird über das Berechnungsmodell M2 ein Vorsteuerwert SW2 in Abhängigkeit von der die Turbine 10a beaufschlagenden Abgasmasse MVTG und dem vorbestimmten Abgasdruck-Sollwert pENG_OUT ermittelt. Als weitere Eingangsgröße zur Berechnung des Vorsteuerwertes SW2 wird mit Vorteil noch die Abgastemperatur TENG_OUT und/oder der Druck p40 am Ausgang der Turbine 10a herangezogen. Aus der Reglerstellgröße SR2 und der Vorsteuergröße SW2 wird eine resultierende Stellgröße SVTG zur Steuerung der Abgasladereinrichtung 10 gebildet.The second control circuit RK2 includes another regulator R2 for generating a controller manipulated variable S R2 and another calculation model M2 for determining a pre-tax amount SW2 , The controller control variable S R2 is dependent on a boost pressure setpoint p ENG_IN_Soll ' and a boost pressure actual value p ENG_IN determined. Parallel to this is the calculation model M2 a pre-tax value SW2 depending on the turbine 10a acting exhaust gas mass M VTG and the predetermined exhaust pressure setpoint p ENG_OUT determined. As further input variable for the calculation of the pre-control value SW2 is with advantage still the exhaust gas temperature T ENG_OUT and / or the pressure p 40 at the exit of the turbine 10a used. From the controller control variable S R2 and the pilot tax quantity SW2 becomes a resulting manipulated variable S VTG for controlling the exhaust gas charging device 10 educated.

Alternativ zu der beschriebenen Ausführung, bei der die Stellgrößen SEGR und SVTG jeweils aus parallel ermittelter Reglerstellgröße und Vorsteuergröße ermittelt werden, kann die Ermittlung der Vorsteuergrößen auch erfolgen, indem die Reglerstellgröße nicht mit dem Ausgangswert des parallelen Berechnungsmodells zusammengeführt wird, sondern vielmehr als zusätzliche Eingangsgröße auf den Eingang des jeweiligen Berechnungsmodells geschaltet wird. Die zu bildende Stellgröße ist dann unmittelbar das Ausgangssignal des jeweiligen Berechnungsmodells. Dargestellt ist diese alternative Methode durch die punktierte Verbindung des Reglerausgangs auf den jeweiligen Eingang des zugeordneten Berechnungsmodells.Alternatively to the described embodiment, in which the manipulated variables S EGR and S VTG can be determined in each case from parallel determined controller control variable and pilot control variable, the determination of the pilot control variables can also be done by the controller control variable is not merged with the output value of the parallel calculation model, but rather is switched as an additional input to the input of the respective calculation model. The manipulated variable to be formed is then directly the output signal of the respective calculation model. This alternative method is illustrated by the dotted connection of the controller output to the respective input of the assigned calculation model.

In der vorliegenden Ausführung der Erfindung werden die Eingangsgrößen für die Regler R1, R2 sowie die Eingangsgrößen für die Berechnungsmodelle M1, M2 durch ein Berechnungsmodell zur Berechnung von Sollwertverläufen ermittelt.In the present embodiment of the invention, the inputs to the controllers R1 . R2 as well as the input variables for the calculation models M1 . M2 determined by a calculation model for calculating setpoint curves.

Dieses Berechnungsmodell umfasst eine Sollwertvorgabe SWV, über die in Abhängigkeit von einem Lastsignal (Fahrerwunsch) aus Kennfeldern und Korrekturtabellen Sollwerte für die Frischluftmasse MAIR_SOLL und den Ladedruck pENG_IN_SOLL vorgegeben werden. Alternativ zu diesen Sollwerten können auch zwei andere Sollwerte, die mit der Gasmasse MENG_IN_SOLL MAIR_SOLL bzw. dem Ladedruck pENG_IN_SOLL korrelieren, angegeben werden (z.B.: Ladedruck und Abgasrückführrate oder Ladedruck und Sauerstoffkonzentration im Luftsammler oder Ladedruck und Sauerstoffkonzentration im Abgastrakt oder dergleichen).This calculation model comprises a nominal value input SWV, via which, depending on a load signal (driver request) from characteristic maps and correction tables, nominal values for the fresh air mass M AIR_SOLL and the boost pressure p ENG_IN_SOLL be specified. As an alternative to these setpoints, there may be two other setpoints associated with the gas mass M ENG_IN_SOLL M AIR_SOLL or the boost pressure p ENG_IN_SOLL be correlated to be specified (eg: boost pressure and exhaust gas recirculation rate or boost pressure and oxygen concentration in the air collector or boost pressure and oxygen concentration in the exhaust system or the like).

Die Sollwerte der Sollwertvorgabe SWV werden einer Sollwertformung SWF zugeführt, wo sie, falls erforderlich, in ihren Maximalwerten begrenzt werden. Durch die Sollwertformung werden aus den vorgegebenen Sollwerten physikalisch mögliche Sollwertverläufe ermittelt. Nachdem ein physikalisches Modell vorliegt, kann dies unter Berücksichtigung von Randbedingungen (z.B. maximale Laderdrehzahl, maximaler Abgasgegendruck (Druck pENG_OUT im Abgastrakt 6), ...) erfolgen. Die Maximalwertbegrenzung kann auf einfache Weise auch durch einfache Filterglieder (z.B. PT1-Filter) erfolgen.The setpoints of the setpoint input SWV become a setpoint shaping SWF where, if necessary, they are limited in their maximum values. The setpoint calculation determines physically possible setpoint value curves from the specified setpoint values. After a physical model is present, this can take into account boundary conditions (eg maximum supercharger speed, maximum exhaust back pressure (pressure p ENG_OUT in the exhaust tract 6 ), ...) respectively. The maximum value limitation can be easily by simple filter elements (eg PT1 Filter).

Die gegebenenfalls begrenzten oder unbegrenzten Sollwerte von Frischluftmasse MAIR_SOLL ' und Ladedruck pENG_IN_SOLL ' werden einem mathematischen Berechnungsmodell SGT (in Form einer Stellgrößentransformation) zugeführt. Neben den Sollwertvorgaben werden der Stellgrößentransformation SGT über eine Modellberechnung MB weitere notwendige Größen wie Druckverluste, Druckverhältnisse und/oder zugeführte Gesamt-Luftmasse (bzw. Gesamtgasmasse) zur Verfügung gestellt. Die Modellberechnung ermittelt diese Größen aus Istwerten der Brennkraftmaschine (gemessen oder berechnet). Die hier zu berücksichtigen Istwerte sind insbesondere folgende: Ladedruck pENG_IN , zugeführte Frischluftmasse MHFM , aktuelle Motordrehzahl, zugeführte Kraftstoffmenge MB , Ladedruck pENG_IN (bzw. Druck p20 nach einem ggf. vorhandenen Verdichter) und Temperatur TENG_IN der zugeführten Gasmasse (bzw. Temperatur T20 der Luftmasse nach einem ggf vorhandenen Ladeluftkühler) der verdichteten und gekühlten Frischluftmasse MHFM'. Druck pENG_OUT und Temperatur TENG_OUT des Abgasmassenstroms MENG_OUT (Größen werden gemessen oder berechnet). Mittels der Stellgrößentransformation SGT werden die vorstehend bereits beschriebenen Eingangsgrößen für die beiden Regler R1, R2 und die beiden Berechnungsmodelle M1, M2 zur Berechnung der Vorsteuerwerte ermittelt. Über die Stellgrößentransformation SGT werden aus den Sollwertverläufen von Frischluftmasse MAIR_SOLL' und Ladedruck pENG_IN_SOLL ' mittels der flachheitsbasierten Regelungsmethode Sollwertverläufe für den Abgasrückführstrom MEGR und den die Turbine 10a beaufschlagenden Abgasstrom MVTG sowie ein Sollwertverlauf für den im Abgastrakt 6 herrschenden Abgasdruck pENG_OUT generiert.The possibly limited or unlimited nominal values of fresh air mass M AIR_SOLL 'and boost pressure p ENG_IN_SOLL 'become a mathematical calculation model SGT (in the form of a manipulated variable transformation). In addition to the setpoint specifications, the manipulated variable transformation SGT via a model calculation MB other necessary variables such as pressure losses, pressure conditions and / or supplied total air mass (or total gas mass) provided. The model calculation determines these variables from actual values of the internal combustion engine (measured or calculated). The actual values to be considered here are in particular the following: boost pressure p ENG_IN , supplied fresh air mass M HFM , current engine speed, amount of fuel supplied M B , Boost pressure p ENG_IN (or pressure p 20 after a possibly existing compressor) and temperature T ENG_IN the supplied gas mass (or temperature T 20 the air mass after a possibly existing intercooler) the compressed and cooled fresh air mass M HFM ' , print p ENG_OUT and temperature T ENG_OUT the exhaust gas mass flow M ENG_OUT (Sizes are measured or calculated). By means of the manipulated variable transformation SGT, the input variables already described above for the two controllers R1 . R2 and the two calculation models M1 . M2 to calculate the pilot control values. About the manipulated variable transformation SGT are from the setpoint curves of fresh air mass M AIR_SOLL ' and boost pressure p ENG_IN_SOLL 'using the flatness-based control method setpoint curves for the exhaust gas recirculation flow M EGR and the turbine 10a acting exhaust gas flow M VTG and a setpoint curve for the exhaust tract 6 prevailing exhaust pressure p ENG_OUT generated.

Claims (3)

Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, wobei die Brennkraftmaschine (2) einlassseitig einen Ansaugtrakt (4) und auslassseitig einen Abgastrakt (6) aufweist, und eine steuerbare Abgasturboladereinrichtung (10) mit einem Verdichter (10b) im Ansaugtrakt (4) und einer Turbine (10a) im Abgastrakt (6) sowie eine steuerbare Abgasrückführeinrichtung (8) zur Steuerung eines Abgasrückführstroms (MEGR) vorhanden sind, mit folgenden Verfahrensschritten: - Bestimmen eines Soll-Abgasrückführstromes (MEGR), eines die Turbine (10a) beaufschlagenden Soll-Abgasstromes (MVTG) und eines Soll-Abgasdrucks (PENG_OUT) im Abgastrakt in Abhängigkeit ◯ einer Soll-Frischluftmasse (MAIR_SOLL) und eines Soll-Ladedrucks (pENG_IN_SOLL) oder ◯ zweier mit der Soll-Frischluftmasse (MAIR_SOLL) und dem Soll-Ladedruck (pENG_IN_SOLL) korrelierender Soll-Größen; - in Abhängigkeit des Soll-Abgasrückführstromes (MEGR) und des Soll-Abgasdrucks (PENG_OUT), Bestimmen einer ersten Vorsteuergröße (SW1) eines ersten Regelkreises (RK1) unter Verwendung eines ersten Berechnungsmodells (M1), wobei der erste Regelkreis (RK1) eine erste Stellgröße (SEGR) zur Steuerung der Abgasrückführeinrichtung (8) erzeugt; und - in Abhängigkeit des Soll-Abgasdrucks (pENG_OUT) und des Soll-Abgasstromes (MVTG), Bestimmen einer zweiten Vorsteuergröße (SW2) eines zweiten Regelkreises (RK2) unter Verwendung eines zweiten Berechnungsmodells (M2), wobei der zweite Regelkreis (RK2) eine zweite Stellgröße (SVTG) zur Steuerung der Abgasturboladereinrichtung (10) erzeugt.Method for controlling an internal combustion engine of a motor vehicle, wherein the internal combustion engine (2) has an intake tract (4) on the inlet side and an exhaust tract (6) on the outlet side, and a controllable exhaust gas turbocharger device (10) with a compressor (10b) in the intake tract (4) and a turbine (10a) in the exhaust gas tract (6) and a controllable exhaust gas recirculation device (8) for controlling an exhaust gas recirculation flow (M EGR ) are present, with the following method steps: - Determining a target exhaust gas recirculation flow (M EGR ), the turbine (10 a) acting on target Exhaust gas flow (M VTG ) and a desired exhaust gas pressure (P ENG_OUT ) in the exhaust tract in dependence ◯ a desired fresh air mass (MAIR_SOLL) and a desired boost pressure (p ENG_IN_SOLL ) or ◯ two with the desired fresh air mass (MAIR_SOLL) and the target Boost pressure (p ENG_IN_SOLL ) of correlating nominal quantities; depending on the desired exhaust gas recirculation flow (M EGR ) and the target exhaust gas pressure (PENG_OUT), determining a first pilot control quantity (SW1) of a first control loop (RK1) using a first calculation model (M1), wherein the first control loop (RK1) has a first manipulated variable (S EGR ) for controlling the exhaust gas recirculation device (8) generated; and - depending on the desired exhaust gas pressure (p ENG_OUT ) and the desired exhaust gas flow (M VTG ), determining a second pilot control variable (SW2) of a second control loop (RK2) using a second calculation model (M2), wherein the second control loop (RK2) a second manipulated variable (S VTG ) for controlling the exhaust gas turbocharger device (10) generated. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Stellgröße (SEGR) und die zweite Stellgröße (SVTG) jeweils aus einer Stellgröße eines Reglers (R1, R2) des ersten Regelkreises (RK1) bzw. zweiten Regelkreises (RK2) und der ersten Vorsteuergröße (SW1) bzw. zweiten Vorsteuergröße (SW2) ermittelt werden.Method according to Claim 1 , wherein the first manipulated variable (S EGR ) and the second manipulated variable (S VTG ) in each case from a manipulated variable of a controller (R1, R2) of the first control loop (RK1) or second control loop (RK2) and the first pilot control variable (SW1) or second pilot control variable (SW2) are determined. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die jeweilige Stellgröße eines Reglers des ersten Regelkreises (RK1) bzw. zweiten Regelkreises (RK2) als zusätzliche Eingangsgröße auf den Eingang des ersten Berechnungsmodells (M1) bzw. zweiten Berechnungsmodels (M2) geschaltet wird.Method according to Claim 1 , Wherein the respective manipulated variable of a regulator of the first control loop (RK1) or second control loop (RK2) is connected as an additional input variable to the input of the first calculation model (M1) or second calculation model (M2).
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