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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft die Steuerung der bereitgestellten Luftmenge
für Verbrennungsmotoren bei
drehzahlgeführten
Verbrennungsmotoren, die beispielsweise für die Ansteuerung von Hydrauliken oder
Pumpen verwendet werden.
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Stand der Technik
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In
herkömmlichen
Verbrennungsmotoren, die für
den Antrieb von Kraftfahrzeugen und dergleichen verwendet werden,
leiten sich die Sollwerte für das
Luftsystem (Luftmengenstrom, Ladedruck, Abgasrückführungsrate und dergleichen)
von der Drehmomentenanforderung bzw. der Einspritzmenge ab. Um das
verhältnismäßig träge Verhalten
des Luftsystems zu kompensieren, wird bei drehmoment- bzw. mengengeführten Strukturen
die Sollmomentenanforderung unbegrenzt für die Ansteuerung des Luftsystems
verwendet.
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Bei
drehzahlgeführten
Systemen, wie sie beispielsweise zum Antreiben von Pumpen oder Hydraulikvorrichtungen
verwendet werden, ist bislang keine Möglichkeit vorgesehen, einen
dynamischen Drehmomentenvorhalt bzw. eine Drehmomentenreserve für das Luftsystem
zu erzeugen, die einen möglichst
geringen Einfluss auf den Wirkungsgrad des Motorsystems haben. Die
neuen bzw. modernen Verbrennungsauslegungen mit hoher Abgasrückführungsrate
reduzieren die im Saugrohr bereitgestellte Luft und die dadurch
stationär
vorliegende Drehmomentenreserve verringert sich. Größere Drehmomentenerhöhungen der
Drehzahlregelung können daher
nicht schnell umgesetzt werden.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein drehzahlgeregeltes
Verbrennungsmotorsystem so vorzusehen, dass auch größere Drehmomentenänderungen
in dem Verbrennungsmotorsystem zur Stabilisierung der Drehzahl umgesetzt
werden können.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie die Vorrichtung
gemäß dem nebengeordneten
Anspruch gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem
ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines drehzahlgeführten Verbrennungsmotors,
insbesondere einer selbstzündenden Brennkraftmaschine,
vorgesehen. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:
- – Durchführen einer
Regelung der Drehzahl des Verbrennungsmotors, wobei als eine Stellgröße eine
Angabe über
ein einzustellendes Drehmoment bereitgestellt wird;
- – Begrenzen
der Stellgröße gemäß einem
Drehmomentengrenzwert, um eine begrenzte Stellgröße zu erhalten;
- – Ansteuern
des Verbrennungsmotors abhängig von
der begrenzten Stellgröße;
- – Erhöhen der
dem Verbrennungsmotor zugeführten
Luftmenge zum Erreichen des einzustellenden Drehmoments ungeachtet
des Drehmomentengrenzwertes.
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Bei
dem obigen Verfahren werden der Verbrennungsmotor und das Luftsystem
des Verbrennungsmotors separat angesteuert. Wenn bei starken Drehzahlabweichungen
ein hohes Drehmoment durch die Regelung gefordert wird, wird dieses
durch einen Drehmomentengrenzwert begrenzt, der z. B. dem Motorschutz
dient oder zulässige,
der aktuellen Luftfüllung
des Luftsystems entsprechende Stellgrenzen angibt. Das Luftsystem
des Verbrennungsmotors wird jedoch so angesteuert, dass dem Verbrennungsmotor
eine Luftmenge unmittelbar bereitgestellt wird, die zum Erreichen
des einzustellenden Drehmoments erforderlich ist, während der
Verbrennungsmotor lediglich mit den dem begrenzten Drehmoment entsprechenden
Motorgrößen, wie
z. B. Einspritzmenge, Einspritzwinkel, Zündzeitpunkt und dergleichen
angesteuert wird. D. h. das Luftsystem wird so angesteuert, dass
eine Luftfüllung,
die zum Bereitstellen des sich aus der Regelung ergebenden, einzustellenden
Drehmoments von dem Verbrennungsmotor benötigt wird, ungeachtet des Drehmomentengrenzwertes
unmittelbar, d. h. so schnell wie möglich, eingestellt wird.
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Grundsätzlich besteht
eine Idee darin, die Regelabweichung der Drehzahlregelung als Kriterium
zur Berechnung einer zusätzlichen
Ansteuerung des Luftsystems (Luftvorsteuerung) heranzuziehen. Das
heißt,
wenn z. B. die Drehzahlregelung ein hohes Stelldrehmoment fordert,
werden nicht nur Motorparameter, wie Einspritzmenge, Einspritzzeitpunkt und
dergleichen, zum Bereitstellen eines höheren Drehmomentes angepasst,
sondern auch die bereitgestellte Luftmenge wird aktiv, d. h. abhängig von dem
Zustand der Regelung, angepasst. Dies hat im Vergleich zu einem
bisher durchgeführten,
permanenten Beaufschlagen der jeweils aktuellen Luftmenge mit einer
vergleichsweise geringen zusätzlichen Luftmenge,
dem sog. Luftvorhalt, den Vorteil, dass das zum Ausgleich der Regelabweichung
erforderliche Drehmoment möglichst
schnell bereitgestellt werden kann. Ein relativ langsames Erhöhen des Drehmoments
aufgrund der auf die Größe des Luftvorhalts
beschränkten
Luftmenge im Luftsystem während
mehrerer Zyklen aufeinander folgender Anpassungen kann hierbei entfallen.
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Im
stationären
Betrieb, d. h. es treten keine Solldrehzahl- oder Laständerungen
auf, entspricht die vorzuhaltende Luftmenge dem geforderten Drehmomentenbetrag,
wodurch eine abgas- und wirkungsgradoptimale Motorauslegung für den Stationärbetrieb
ermöglicht
wird.
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Bei
einer Erhöhung
des Sollwerts der Drehzahl wird ein zusätzliches Drehmoment benötigt, um den
Motor zu beschleunigen. Die durch die Sollwertänderung auftretende Regelabweichung
(Stellgröße ist das
angeforderte Drehmoment) kann als eine Steuergröße für eine Luftvorsteuerung verwendet werden,
so dass abhängig
von der Regelabweichung die im Saugrohr bereitgestellte Luftmenge
eingestellt wird.
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Bei
einer Erhöhung
der Motorlast kommt es ebenfalls zu einer positiven Regelabweichung,
die entsprechend dem obigen Fall der Erhöhung der Solldrehzahl für einen
schnellen Aufbau des Luftmengenstroms verwendet wird.
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Die
Luftvorsteuerung in der Luftzuführung
ist nicht unmittelbar Momenten bildend, sondern beeinflusst ausschließlich die
Stellgrenzen der Drehzahlregelung. Somit können ho he positive Drehmomentenänderungen
durch Erhöhung
der Einspritzmenge des eingespritzten Kraftstoffs vorgenommen werden, ohne
Instabilitäten
in der Drehzahlregelung zu verursachen. Bei geeigneter Wahl der
Luftvorsteuerung wird der Drehzahlregler durch Nutzung seines Momenteneingriffs
wieder ein emissionsoptimales Verhältnis von Kraftstoff und Luft
einstellen.
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Gemäß einer
Ausführungsform
kann das Luftsystem des Verbrennungsmotors abhängig von der Stellgröße angesteuert
werden.
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Alternativ
kann das Luftsystem des Verbrennungsmotors abhängig von einem Ergebnis einer von
der Regelung durchgeführten
Lastmomentenschätzung
angesteuert werden, so dass die Luftmenge abhängig von einem geschätzten aktuellen
Lastmoment eingestellt wird.
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Weiterhin
kann der Drehmomentengrenzwert abhängig von der aktuellen Luftmenge
in dem Luftsystem und/oder von einem Grenzmoment bestimmt werden,
das eine mechanische und/oder thermische Belastungsgrenze des Verbrennungsmotors angibt.
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Das
Ansteuern des Luftsystems kann weiterhin in einer ersten Betriebsart
des Verbrennungsmotors durchgeführt
werden, so dass dem Verbrennungsmotor die Luftmenge bereitgestellt
wird, die zum Erreichen des einzustellenden Drehmoments erforderlich
ist, und in einer weiteren Betriebsart des Verbrennungsmotors die
Luftmenge so eingestellt wird, dass sie zuzüglich der aktuellen durch das
Luftsystem bereitgestellten Luftmenge einen festgelegten Luftvorhalt
enthält,
wobei zwischen der ersten und der zweiten Betriebsart abhängig von
einem Steuersignal umschaltbar ist.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt ist eine Motorsteuereinheit zum Betreiben eines
drehzahlgeführten
Verbrennungsmotors vorgesehen. Die Motorsteuereinheit umfasst:
- – eine
Einrichtung zum Durchführen
einer Regelung der Drehzahl des Verbrennungsmotors, wobei als eine
Stellgröße eine
Angabe über
ein einzustellendes Drehmoment bereitgestellt wird;
- – ein
Begrenzungsglied zum Begrenzen der Stellgröße gemäß einem Drehmomentengrenzwert, um
eine begrenzte Stellgröße zu erhalten;
- – eine
Einrichtung zum Ansteuern des Verbrennungsmotors abhängig von
der begrenzten Stellgröße;
- – eine
Einrichtung zum Erhöhen
der dem Verbrennungsmotor zugeführten
Luftmenge zum Erreichen des einzustellenden Drehmoments ungeachtet
des Drehmomentengrenzwertes.
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Weiterhin
kann ein Umschalter vorgesehen sein, um abhängig von einem Steuersignal
in einer ersten Betriebsart des Verbrennungsmotors das Luftsystem
so anzusteuern, dass dem Verbrennungsmotor die Luftmenge bereitgestellt
wird, die zum Erreichen des einzustellenden Drehmoments erforderlich ist,
und um in einer weiteren Betriebsart des Verbrennungsmotors die
Luftmenge so einzustellen, dass sie zuzüglich der aktuellen durch das
Luftsystem bereitgestellten Luftmenge einen festgelegten Luftvorhalt enthält.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt ist ein Computerprogramm vorgesehen, das einen Programmcode
enthält,
der, wenn er in einer Motorsteuereinheit ausgeführt wird, das obige Verfahren
ausführt.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines drehzahlgeführten Motorsystems gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung;
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2 ein
Blockdiagramm zur Veranschaulichung der Funktion zur Ansteuerung
des Verbrennungsmotors;
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3 ein
Diagramm zur Veranschaulichung der Systemantwort bei einer Änderung
der Solldrehzahl bei einem herkömmlichen
System;
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4 ein
Diagramm zur Veranschaulichung der Systemantwort bei einem Solldrehzahlsprung
bei Realisierung der Funktionalität der 2;
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5 ein
Diagramm eines Systemverhaltens bei Aufschaltung eines Störmoments
bei einem herkömmlichen
System; und
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6 ein
Diagramm zur Veranschaulichung des Systemverhaltens bei Aufschaltung
eines Störmoments
bei einer Luftvorsteuerung der Funktionalität der 2.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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In 1 ist
ein Motorsystem 1 schematisch dargestellt. Das Motorsystem
der 1 umfasst einen Verbrennungsmotor 2 mit
mehreren Zylindern 3, denen über ein Saugrohr 4 Luft
zugeführt
werden kann. Gesteuert durch eine Motorsteuereinheit 5 wird Kraftstoff
direkt in die Zylinder 3 (wie z. B. bei einem Dieselmotor)
bzw. alternativ in einen den Zylindern 3 zugeordneten Saugrohrabschnitt
eingespritzt, um den Verbrennungsmotor 2 zu betreiben.
Die Verbrennungsabgase werden über
einen Abgasstrang 6 aus den Zylindern 3 abgeführt. In
dem Saugrohr 4 wird eine bestimmte Luftmenge bzw. ein bestimmter
Luftdruck durch eine von der Motorsteuereinheit 5 angesteuerte
Ladevorrichtung 7, wie z. B. einen Turbolader, eingestellt.
Alternativ kann die bereitzustellende Luftmenge auch durch die Stellung
einer Drosselklappe oder durch eine Abgasrückführung eingestellt werden. Der
Verbrennungsmotor 2 kann sowohl als Diesel-Motor als auch
als Otto-Motor ausgebildet sein.
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Die
Motorsteuereinheit 5 steuert also die in die Zylinder 3 strömende Luftmenge
durch Einstellen eines Druckes in dem Luftsystem, wie z. B. des Saugrohrdrucks
mit Hilfe der Ladevorrichtung 7, die Einspritzmenge des
eingespritzten Kraftstoffs, den Einspritzzeitpunkt und andere Motorgrößen des
Motorsystems. Das gezeigte Motorsystem 1 ist ein drehzahlgeführtes Motorsystem
(d. h. die Drehzahl des Verbrennungsmotors 2 wird auf eine
vorgegebene Solldrehzahl geregelt).
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2 veranschaulicht
die Funktionsweise der Drehzahlregelung mit einer Luftvorsteuerung
gemäß einer
Ausführungsform.
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Im
Folgenden wird zwischen den Begriffen „Luftvorhalt” und „Luftvorsteuerung” unterschieden. Mit
dem Begriff „Luftvorhalt” wird diejenige
Differenz-Luftmenge bezeichnet, um die die tatsächlich für das aktuell benötigte Drehmoment
des Verbrennungsmotors 2 benötigte Luftmenge erhöht wird,
um geringe Beschleunigungen oder geringe bzw. quasistationäre Regelabweichungen
realisieren zu können.
Der Luftvorhalt kann beispielsweise eine Luftmenge betragen, die
zwischen 2% bis 10% der für das
aktuelle Drehmoment benötigten
Luftmenge entspricht, oder die einer vorbestimmten konstanten Luftmenge
entspricht.
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Die „Luftvorsteuerung” ist ebenfalls
eine Differenz-Luftmenge, die alternativ oder zusätzlich zu dem
Luftvorhalt bei einer erheblichen Regelabweichung, die beispielsweise über einem
z. B. durch den Luftvorhalt vorgegebenen Grenzwert liegt, bereitgestellt
wird. Die Differenz-Luftmenge der Luftvorsteuerung hängt jedoch
nicht von der für
das aktuelle Drehmoment benötigten
Luftmenge ab, sondern wird abhängig
von einer geforderten Drehmomentenänderung zusätzlich zu der für das aktuelle
Drehmoment benötigten
Luftmenge bereitgestellt. Die Luftvorsteuerung sorgt dadurch für eine schnelle
Erhöhung
der Luftfüllung
in den Zylindern 3 des Verbrennungsmotors 2.
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In 2 sind
schematisch die Funktionsblöcke
P,I eines PI-Reglers gemäß einer
Ausführungsform
dargestellt. Als Eingangsgröße des PI-Reglers zur
Realisierung einer Drehzahlregelung für den Verbrennungsmotor 2 der 1 dient
eine Drehzahldifferenz Δn,
die sich aus der Differenz einer Solldrehzahl, die vorgegeben wird
und die eingestellt werden soll, und einer Istdrehzahl, die der
momentanen, z. B. gemessenen Drehzahl n des Verbrennungsmotors 2 entspricht,
ergibt. Eine entsprechende Angabe der Drehzahldifferenz Δn wird sowohl
einem Proportionalglied 11 als auch einem Integrationsglied 12 zugeführt. Das
Proportionalglied 11 multipliziert die Drehzahldifferenz Δn mit einem
Proportional-Faktor
Kp und führt
den daraus resultierenden Proportionalteil Sp des
Stellwerts einem Summierglied 13 zu. Das Integrationsglied 12 integriert
die Drehzahldifferenz Δn abhängig von
einem Integrationsfaktor ki und führt den daraus resultierenden
Integrationsteil Si des Stellwerts einem
ersten Begrenzungsglied 14 zu. Das erste Begrenzungselement 14 begrenzt
den Integrationsteil Si des Stellwertes
auf einen Bereich zwischen Null 0 (Mn-Eingang) und einem Begrenzungswert trqLim
(Mx-Eingang).
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Der
so begrenzte Integrationsteil Sibeg des Stellwerts
wird an einen Eingang iv des Integrationsglieds 12 zurückgekoppelt.
Durch die Rückkopplung des
begrenzten Integrationsteiles kann verhindert werden, dass der Integrationswert
des Integrationsglieds 12 in positi ver bzw. negativer Richtung
hochläuft,
was eine Reaktion bei änderndem
Vorzeichen der Drehzahldifferenz erheblich verzögern würde. Durch die Rückkopplung
des begrenzten Stellwerts Si des Integrationsteils
zu dem Integrationsglied 12 wird dafür gesorgt, dass sich der Integrationswert
I in dem Integrationsglied 12 jeweils zu Beginn von Regelzyklen
zwischen den durch das erste Begrenzungsglied 14 vorgegebenen
Grenzen befindet. Sinkt der Integrationswert I des Integrationsglieds 12 unter Null,
so wird der Integrationswert I auf Null zurückgesetzt. Übersteigt der Integrationswert
trqLim, so wird der Integrationswert I auf trqLim festgelegt. Das
Anpassen des Integrationswerts I kann gemäß einem der Regelung zugrunde
liegenden Regelzyklus regelmäßig, periodisch
oder zu vorgegebenen Zeitpunkten erfolgen.
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Der
begrenzte Integrationsteil Sibeg des Stellwerts
wird ebenfalls dem Summierglied 13 zugeführt. Abhängig von
dem Proportionalteil Sp und dem Integrationsteils
Sibeg des Stellwerts wird eine Stellgröße S von
dem Summierglied 13 ausgegeben. Die Stellgröße S repräsentiert
ein Stellmoment, das in einem zweiten Begrenzungsglied 15 erneut
auf den Bereich zwischen Null 0 (Mn-Eingang) und dem Begrenzungswert
trqLim (Mx-Eingang) begrenzt wird, um eine begrenzte Stellgröße Sbeg zu erhalten. Die begrenzte Stellgröße Sbeg wird einem Motormodell MM 19 zugeführt, das
die begrenzte Stellgröße Sbeg in Motorgrößen MG zur Ansteuerung des
Verbrennungsmotors 2 umsetzt. Motorgrößen MG können beispielsweise Einspritzmenge,
Einspritzzeitpunkt und dergleichen sein.
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Der
Begrenzungswert trqLim ist abhängig von
der aktuellen Luftfüllung
der Zylinder und somit abhängig
vom Ladedruck, der Drosselklappenstellung der Abgasrückführungsrate
oder dgl. Mit anderen Worten der Begrenzungswert trqLim ist abhängig von
dem Zustand des Luftsystems. Der Begrenzungswert trqLim gibt dadurch
an, welche maximale Stellgröße im momentanen
Zustand des Luftsystems von der Drehzahlregelung gefordert werden
kann.
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Bislang
ist vorgesehen, dass abhängig
von der geforderten Stellgröße ein Luftvorhalt
eingestellt wird, so dass dem Verbrennungsmotor eine Luftmenge zur
Verfügung
gestellt wird, die die benötigte
Luftmenge zum Bereitstellen des momentanen Drehmoments um einen
bestimmten Betrag übersteigt.
Beispielsweise kann der Luftvorhalt zwischen 2 bis 10% der für die Bereitstellung
des aktuellen Drehmoments erforderlichen Luftmenge betragen. Der
Luftvorhalt bestimmt wiederum über
den Begrenzungswert trqLim die ma ximale Stellgröße Sbeg,
die vom Verbrennungsmotor 2 gefordert werden kann. Ein
beliebiges Erhöhen
des Luftvorhalts ist oftmals nicht zweckmäßig, da zum Bereitstellen des
Luftvorhalts z. B. mithilfe der Ladeeinrichtung 7, wie
z. B. einem Turbolader, Leistung des Verbrennungsmotors 2 benötigt wird,
wodurch der Kraftstoffverbrauch steigt. Die Einstellung der Höhe des Luftvorhalts
muss somit gegen einen erhöhten
Kraftstoffverbrauch abgewägt werden.
Die Festlegung des Luftvorhalts stellt damit ein Kompromiss zwischen
einer möglichst
geringen Erhöhung
des Kraftstoffverbrauchs des Verbrennungsmotors und einer hinreichend
schnellen Drehmomentenanpassung bei einer Anforderung einer Drehmomentenänderung
dar.
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Der
Luftvorhalt bestimmt die Geschwindigkeit, mit der eine über die
Stellgröße S geforderte Drehmomentenänderung
vorgenommen werden kann, da der Begrenzungswert trqLim und die jeweils aktuelle
Luftfüllung
(im Saugrohr befindliche Luftmenge) voneinander abhängen. Da
der Begrenzungswert trqLim die Stellgröße S begrenzt und der Begrenzungswert
trqLim wiederum von der momentanen Luftfüllung abhängt, die sich an dem Betriebspunkt
des Verbrennungsmotors 2 orientiert, kann das vom Verbrennungsmotor 2 bereitgestellte
Drehmoment in jedem Regelzyklus nur maximal um ein durch den bereitgestellten
Luftvorhalt bestimmtes Maß ansteigen.
Mit anderen Worten kann sich das Drehmoment in jedem Regelzyklus
nur soweit erhöhen,
wie es der der aktuell benötigten
Luftmenge hinzugefügte Luftvorhalt
zulässt.
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Die
dadurch ermöglichte
Drehmomentenänderung
ist jedoch bei einigen Anwendungen bei plötzlich auftretender Lastmomentenänderung
oder bei Änderungen
der Solldrehzahl zu langsam. Daher ist eine Luftvorsteuerung vorgesehen,
die bei einer signifikanten Regelabweichung, nicht wie bei der Einstellung
des Luftvorhalts abhängig
von der begrenzten Stellgröße Sbeg vorgenommen wird, sondern abhängig von
der nicht begrenzten Stellgröße S, die
am Eingang des zweiten Begrenzungsglieds 15 abgegriffen
wird.
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Diese
Stellgröße S gibt
an, welches Drehmoment gefordert wäre, um die Drehzahlregelung
in einer nicht durch den Begrenzungswert beschränkten Weise zu betreiben. Die
nachfolgende Begrenzung der Stellgröße S erfolgt nur deshalb, weil
der Verbrennungsmotor 2 die Stellgröße S im jeweils aktuellen Zustand
nicht in ein entsprechendes Drehmoment umsetzen kann oder soll.
Für die
Einstellung der Luftmenge in dem Luftsystem wird die nicht begrenzte
Stellgröße S einem
Maximumglied 16 zugeführt,
das nur positive Stellgrößen S als
Steuergröße EISGov_trqAir
für das
Luftsystem weitergibt und anstelle von negativen Steuergrößen eine
Null als EISGov_trqAir ausgibt. Der Grund hierfür liegt darin, dass negative
Stellmomente nicht aktiv durch einen Luftvorhalt bzw. eine Luftvorsteuerung
umgesetzt werden müssen,
da in diesem Fall eine überschüssige Luftmenge
im Saugrohr für
ein zu reduzierendes Drehmoment des Verbrennungsmotors nicht hinderlich
ist und das Drehmoment durch eine Verringerung der Einspritzmenge
reduziert werden kann.
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Die
Steuergröße EISGov_trqAir
wird dann dazu verwendet, um eine entsprechende Luftvorsteuerung,
d. h. ein Bereitstellen einer zusätzlichen Luftmenge im Saugrohr 4,
zur Verfügung
zu stellen, mit der der Verbrennungsmotor 2 schnellstmöglich in die
Lage versetzt wird, ein beliebiges Stellmoment gemäß der nicht
begrenzten Stellgröße bereitzustellen.
D. h., obwohl der Verbrennungsmotor 2 gemäß der begrenzten
Stellgröße angesteuert
wird, die sich an der momentanen Luftfüllung orientiert, wird die Luftfüllung nicht
abhängig
von dem jeweils aktuellen Motorbetriebszustand (durch den Luftvorhalt)
eingestellt, sondern abhängig
von der Stellgröße S, die
das Drehmoment bewirkt, das der Verbrennungsmotor 2 möglichst
schnell für
die Durchführung
der Drehzahlregelung bereitstellen soll. Die zusätzliche Luftmenge im Luftsystem
wird beispielsweise bereitgestellt, indem die Ladevorrichtung in
entsprechender Weise angesteuert wird, den Saugrohrdruck auf einen
der Steuergröße entsprechenden
Wert zu erhöhen.
Die zusätzliche
Luftmenge im Luftsystem kann alternativ oder zusätzlich auch durch Einstellen
einer Drosselklappe und/oder der Abgasrückführungsrate bereitgestellt werden.
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Es
kann weiterhin vorgesehen sein, dass mithilfe eines Umschalters 17 die
Drehzahlregelung in zwei Betriebsarten betrieben wird, nämlich in
der herkömmlichen
Betriebsart, bei der keine Luftvorsteuerung vorgenommen wird, d.
h. die Luftfüllung abhängig von
dem momentanen Betriebszustand des Verbrennungsmotors 2 gemäß einer
geforderten Luftmenge und einem Luftvorhalt eingestellt wird, sowie
in einer weiteren Betriebsart, bei der eine Luftvorsteuerung vorgesehen
wird und bei der die Luftfüllung
entsprechend der von der Drehzahlregelung gewünschten, nicht begrenzten Stellgröße eingestellt wird.
Der Umschalter 17 wird mit einem vorgegebenen Ansteuersignal
AirPreCtl angesteuert.
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Die
begrenzte Stellgröße Sbeg wird als Ergebnis der Begrenzung in dem
zweiten Begrenzungsglied 15 ermittelt. Die Begrenzungsgröße trqLim
wird beispielsweise weiterhin ge mäß vorgegebenen Grenzwerten
begrenzt werden. Ein Beispiel für
einen solchen Grenzwert ist beispielsweise ein mechanisch-thermisches
Grenzmoment trqEngProt, das dazu dient, dass das vom Verbrennungsmotor 2 geforderte
Drehmoment nicht zu einer mechanischen bzw. thermischen Überlastung
des Verbrennungsmotors 2 führt. Weiterhin kann ein weiteres
Grenzmoment trqAir bereitgestellt werden, das ein Drehmoment angibt,
das durch den Verbrennungsmotor bei der aktuellen Luftfüllung maximal
abgegeben werden kann. In einem Minimumglied 18 wird der
kleinste der beiden Grenzwerte ausgewählt und als Begrenzungswert
trqLim bereitgestellt.
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Aus
der begrenzten Stellgröße Sbeg wird in der Motorsteuerung gemäß dem Motormodell
MM 19 als Motorgröße MG eine
entsprechende Einspritzmenge berechnet und bei Bedarf der Zündwinkel
(bei Otto-Motoren) bzw. der Einspritzzeitpunkt (Diesel-Motoren)
entsprechend angepasst. Die je nach Stellung des Umschalters 17 für die Luftvorsteuerung bzw.
für den
Luftvorhalt ausgewählte
Stellgröße wird als
Größe trqAirSet
vom Luftsystem verwendet, um die einzustellenden Sollwerte für den Ladedruck und/oder
für die
Drosselklappenstellung und/oder für die Abgasrückführung zu
ermitteln.
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3 zeigt
ein Diagramm, das das Verhalten eines drehzahlgeführten Verbrennungsmotors
bei einer sprunghaften Änderung
der Solldrehzahl von 800 Upm auf 2000 Upm darstellt. Im stationären Betrieb ist
ein Luftvorhalt von 30 Nm realisiert, d. h., der Luftvorhalt entspricht
einer Luftmenge, die es ermöglicht, eine
Drehmomentenänderung
mit Hilfe einer entsprechenden Änderung
der Einspritzmenge von maximal 30 Nm zu realisieren. Infolge des
Sollwertsprungs wird der Luftvorhalt aufgebraucht und der Drehzahlregler
beschleunigt den Motor unter Ausnutzung des höchstmöglichen Begrenzungsmoments trqLim.
Aufgrund des geringen Luftvorhalts und der Trägheit des Luftsystems steigt
die Füllung
nur langsam an und der Drehzahlregler benötigt mehr als 5 Sekunden, um
den neuen Sollwert bei 2000 Upm einzustellen.
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4 zeigt
ein Diagramm zur Veranschaulichung der Systemantwort gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren,
d. h. mit einer Luftvorsteuerung in dem gleichen Betriebsfall wie
bei 3. Zeitgleich mit dem Solldrehzahlsprung nimmt
die Luftvorsteuerung trqAirSet hohe Werte an. Diese führen zu
einer sofortigen Erhöhung
der im Luftsystem verfügbaren Luftmenge über das
Maß des
Luftvorhalts hinaus. Die erhöhte
Luftmenge ermöglicht
ein schnelles Ansteigen des Begrenzungsmoments trqLim. Der Drehzahlregler
kann dann die Stellgrenze vollständig
ausschöpfen,
um den Verbrennungsmotor 2 in geeigneter Weise zu beschleunigen.
Dadurch wird der neue Sollwert bei 2000 Upm bereits nach 1 Sekunde
erreicht.
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5 zeigt
ein Diagramm zur Veranschaulichung des Systemverhaltens bei Aufschalten
eines nicht messbaren, sprunghaften Störmoments in Höhe von ca.
100 Nm. Durch die Störung
kommt es zu einem Drehzahleinbruch, der stationär durch den Drehzahlregler
ausgeregelt wird. Dazu erhöht
der Drehzahlregler seinen Eingriff bis an die Stellgrenze trqLim.
Bei einem System ohne Luftvorsteuerung benötigt das Ausregeln der Störung ca.
8 Sekunden, bei der erfindungsgemäßen Realisierung mit Luftvorsteuerung
(siehe 6) ist die Störung
bereits nach 2 Sekunden ausgeregelt.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform kann
die Luftvorsteuerung anstatt aus der Regelabweichung der Drehzahlregelung,
d. h. abhängig
von der resultierenden Stellgröße auch
durch ein geschätztes
Lastmoment einer zusätzlich
vorgesehenen Lastmomentenschätzung
ersetzt werden, die aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt
ist. Die Lastmomentschätzung
basiert auf einer Auswertung aller im Antriebsstrang auftretenden
Momente. Aus dem geschätzten
Lastmoment kann dann ein Momenteneingriff auf den Antriebsstrang
berechnet werden, die durch den Verbrennungsmotor 2 ausgeglichen
werden soll. Eine Angabe über
die Momentenänderung
kann der Luftvorsteuerung anstelle der Stellgröße bereitgestellt werden, so
dass die erforderliche Luftfüllung
schnellstmöglich
entsprechend der geforderten Drehmomentenänderung festgelegt wird.
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Anstelle
des Stellmoments S kann auch eine gesonderte Regelung, z. B. ein
gesonderter P-Anteil oder eine Kennlinie zur Bestimmung des für die Luftvorsteuerung
benötigten
Stellmoments verwendet werden. D. h. unabhängig von der Drehzahlregelung zur
Bestimmung der das Stellmoment bestimmenden Stellgröße, die
vom Motormodell 19 verwendet wird, um die Motorgrößen zu bestimmen,
kann in einer gesonderten Regelung eine von der Stellgröße des Drehzahlreglers
unabhängige
Vorsteuerungs-Stellgröße für das Luftsystem
ermittelt werden. D. h. die Steuergröße EisGov_trqAir wird nicht
von der von dem Summierglied 13 ausgegebenen Stellgröße S abgeleitet,
sondern wie bei der Lastmomentschätzung unmittelbar aus der Drehzahldifferenz Δn.