DE102009032372B4

DE102009032372B4 - Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit Ladedruckregelung

Info

Publication number: DE102009032372B4
Application number: DE102009032372.4A
Authority: DE
Inventors: Detlef Woelke; Michael Schollmeyer; Dr. Däubler Lorenz; Dr. Braun Holger; Niklas Wolff v.d. Sahl; Joachim Walter
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2009-07-08
Filing date: 2009-07-08
Publication date: 2024-03-21
Anticipated expiration: 2029-07-09
Also published as: DE102009032372A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem Verdichter zum Verdichten der der Brennkraftmaschine zugeführten Verbrennungsluft und wenigstens einem Stellglied (16) zum Beeinflussen eines Ladedruckes am Ausgang des Verdichters, wobei das Stellglied (16) mittels eines Ladedruckreglers (14) und einer Vorsteuerung (12) angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladedruckregler (14) in Abhängigkeit von einer Differenz von einem Ladedruckistwert P2,Istwert(26) und einem Ladedrucksollwert p2,Soll(22) eine reglerbasierte Antriebsleistung PTrbn,Regler(48) für den Verdichter bestimmt und dass die Vorsteuerung (12) aus dem Ladedrucksollwert p2,Soll(22) eine vorsteuerbasierte Antriebsleistung PTrbn,Vorsteuerung(46) in Abhängigkeit von einem momentanen Betriebszustand der Brennkraftmaschine für den Verdichter bestimmt, wobei die reglerbasierte Antriebsleistung PTrbn,Regler(48) und die vorsteuerbasierte Antriebsleistung PTrbn,Vorsteuerung(46) zu einer Sollantriebsleistung PTrbn,Soll(60) addiert werden, wobei aus der Sollantriebsleistung PTrbn,Soll(60) betriebsartenunabhängige Ansteuersignale für wenigstens ein Stellglied (16) bestimmt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem Verdichter zum Verdichten der der Brennkraftmaschine zugeführten Verbrennungsluft und mit wenigstens einem Stellglied zum Beeinflussen eines Ladedruckes am Ausgang des Verdichters, wobei das Stellglied mittels eines Ladedruckreglers und einer Vorsteuerung angesteuert wird, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der DE 10 2004 016 011 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine bekannt, bei der ein Stellglied zur Beeinflussung eines Ladedruckes am Ausgang eines Verdichters mittels einer Ladedruckregelung und einer Vorsteuerung angesteuert wird. Die Ladedruckregelung gibt in Abhängigkeit von einer Regelabweichung einen Regelfaktor ab, der mit einer von der Vorsteuerung gebildeten ersten Sollposition für das Stellglied multipliziert wird. Dieses so erzeugt Signal steuert das Stellglied an. Weiterhin wird das Ausgangssignal der Ladedruckregelung zur Adaption der Vorsteuerung verwendet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der o.g. Art hinsichtlich der Berücksichtigung von Störgrößen, des Durchgriffes des Ladedruckreglers und der Rückkopplung des Reglereingriffes auf den Vorsteuerwert zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der o.g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Dazu ist es bei einem Verfahren der o.g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Ladedruckregler in Abhängigkeit von einer Differenz von einem Ladedruckistwert p_2,Istwert und einem Ladedrucksollwert p_2,Soll eine reglerbasierte Antriebsleistung P_Trbn,Regler für den Verdichter bestimmt und dass die Vorsteuerung aus dem Ladedrucksollwert p_2,Soll eine vorsteuerbasierte Antriebsleistung P_{Trbn,Vorsteuerung} für den Verdichter bestimmt, wobei die reglerbasierte Antriebsleistung P_Trbn,Regler und die vorsteuerbasierte Antriebsleistung P_{Trbn,Vorsteuerung} zu einer Sollantriebsleistung P_Trbn,Soll addiert werden, wobei aus der Sollantriebsleistung P_Trbn,Soll Ansteuersignale für wenigstens ein Stellglied bestimmt werden.
Dies hat den Vorteil, dass die Ansteuerung des Stellgliedes mittels des Ladedruckreglers und der Vorsteuerung betriebsartenunabhängig ist. Weiterhin ist eine Rückkopplung vermieden.
Um den Durchgriff des Ladedruckreglers auf die Antriebsleistung für die Turbine sicher zu stellen, wird die von der Vorsteuerung bestimmte, vorsteuerbasierte Antriebsleistung P_{Trbn,Vorsteuerung} in Abhängigkeit von einem momentanen Betriebszustand der Brennkraftmaschine, beispielsweise in Abhängigkeit von einem momentanen Abgasmassenstrom mf_Exh, auf einen Maximalwert begrenzt. Dies passt auch die Ansteuerung des Stellgliedes an den momentanen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine an.
Um eine möglichst geringe Regelabweichung und eine stabile Regelung zu erzielen, wird von dem Ladedruckregler ein Proportiönäl-, Intergral- und/oder Differentialanteil bestimmt.
Besonders hohe Verdichterleistungen ohne separaten Antrieb für den Verdichter erzielt man dadurch, dass der Verdichter von einer Abgasturbine angetrieben wird, wobei die reglerbasierte Antriebsleistung P_Trbn,Regler sowie die vorsteuerbasierte Antriebsleistung P_{Trbn,Vorsteuerung} jeweils als eine Abgasturbinenleistung bestimmt werden.
Zum Bestimmen von Ansteuersignalen für das Stellglied aus der Sollantriebsleistung P_Trbn,Soll wird diese in einen Sollmassenstrom mf_Trb,Soll der Abgasturbine umgerechnet.
Zweckmäßigerweise wird in der Vorsteuerung die vorsteuerbasierte Antriebsleistung P_{Trbn,Vorsteuerung} aus dem Ladedrucksollwert p_2,Soll mittels der Turboladerhauptgleichung $π_{V} = \frac{p_{2}}{p_{1}} = {(1 + \frac{{\dot{m}}_{T}}{{\dot{m}}_{V}} \cdot η_{T} \cdot η_{V} \cdot η_{m} \cdot \frac{T_{3}}{T_{1}} \cdot \frac{c_{p . A}}{c_{p . L}} \cdot [1 - {(\frac{p_{4}}{p_{3}})}^{(\frac{κ_{A} - 1}{κ_{A}})}])}^{{(\frac{κ_{L}}{κ_{L} - 1})}_{L}}$
bestimmt, wobei π_V das Ladedruckverhältnis des Verdichters, p₁ der Druck stromauf des Verdichters, T₁ die Temperatur stromauf des Verdichters, p₂ der Druck stromab des Verdichters, T₂ die Temperatur stromab des Verdichters, p₃ der Druck stromauf der Abgasturbine, T₃ die Temperatur stromauf der Abgasturbine, p₄ der Druck stromab der Abgasturbine, T₄ die Temperatur stromab der Abgasturbine, ṁ_T der Abgasmassenstrom durch die Turbine, ṁ_V der Verbrennungsluftmassenstrom durch den Verdichter, η_T der isentrope Wirkungsgrad der Abgasturbine, η_V der isentrope Wirkungsgrad des Verdichters, η_m der mechanische Wirkungsgrad, c_p.A die spezifische Wärmekapazität des Abgases, c_p.L die spezifische Wärmekapazität der Verbrennungsluft, κ_A der Isentropenindex des Abgases und κ_L der Isentropenindex der Verbrennungsluft ist.
Eine dynamische Vorsteuerung erzielt man dadurch, dass der Sollantriebsleistung P_Trbn,Soll zusätzlich ein Dämpferwert hinzuaddiert wird.
Eine Vorsteueradaption erzielt man dadurch, dass der vorsteuerbasierten Antriebsleistung P_{Trbn,Vorsteuerung} vor dem Aufsummieren mit der reglerbasierten Antriebsleistung P_Trbn,Regler zusätzlich ein Adaptionswert hinzuaddiert wird.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in

1 ein schematisches Ablaufdiagramm einer beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens und
2 ein schematisches Ablaufdiagramm des Ladedruckreglers und der Vorsteuerung gemäß dem Verfahren von 3 im Detail.

1 zeigt schematisch die Struktur einer physikalischen Vorsteuerung mit Ladedruckregler gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. in 1 bezeichnet 10 eine Sollwertaufbereitung, 12 eine Vorsteuerung, 14 einen PID-Regler, 16 ein Stellglied, 18 einen Abgasturbolader (ATL) und 20 ein Modell, beispielsweise zur Berechnung eines Druckes p₃ stromauf einer Turbine des Abgasturboladers (Abgasgegendruck, p₃-Berechnung), 22 einen Sollwert für einen Druck p₂ der Verbrennungsluft stromab eines Verdichters des ATL (Ladedrucksollwert p_2,Soll), 24 einen Ausgang der Vorsteuerung 12 in Form einer Soll-Position des Stellgliedes 16, 26 einen Istwert für den Druck p₂ der Verbrennungsluft stromab des Verdichters des ATL (Ladedruckistwert p_2,Ist), 28 eine Stellgliedposition (Ist-Position bei Vorhandensein eines Sensors, ansonsten Sollwert) und 30 einen Modellwert beispielsweise des Druckes p₃ stromauf der Turbine.
Die Sollwertaufbereitung 10 führt der Vorsteuerung 12 den Ladedrucksollwert p_2,Soll zu und diese bestimmt hieraus in Abhängigkeit von dem Ausgang des PID-Reglers 14 und dem Modellwert p₃ die Sollposition 24 für das Stellglied. Die Vorsteuerung 12 gibt den Sollpositionswert 24 an das Stellglied, welches diese Position (aktuelle Position 28 des Stellgliedes) einstellt, um damit den gewünschten Ladedruck p₂ stromab des Verdichters einzustellen. Die Sollwertaufbereitung 10 führt den Ladedrucksollwert p_2,Soll weiterhin einem Subtrahierer 32 zu, der eine Differenz aus dem Ladedruckistwert p_2,Ist und dem Ladedrucksollwert p_2,Soll bestimmt und dem PID-Regler 14 zuführt. Die Ist-Position 28 des Stellgliedes 16 beeinflusst den Abgasgegendruck p₃, der eine wichtige Größe für das Vorsteuermodell 12 ist. Der PID-Regler (Ladedruckregler) 14 regelt die Abweichung des Ladedruckistwertes 26 vom Ladedrucksollwert 22 (Regelabweisung), welche sich aufgrund von Modellungenauigkeiten in der Vorsteuerung 12 ergeben, aus.
2 zeigt im Detail die Funktionsweise der Vorsteuerung 12 und des Ladedruckreglers 14. In 2 sind funktionsgleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wie in 1, so dass zu deren Erläuterung auf die obige Beschreibung der 1 verwiesen wird. In 2 bezeichnet 34 einen Begrenzer, 36 eine Vorsteueradaption, 38 eine dynamische Vorsteuerung, 40 einen Abgasmassenstrom mf_Exh, 42 einen Term zur Umrechnung von Turbinenmassenstrom in Turbinenleistung z = f(T₃, p₃, p₄,...), 44 einen Sollmassenstrom mf_Trbn,Soll durch die Turbine des ATL, 46 eine vorsteuerbasierte Turbinenleistung P_{Trbn,Vorsteuerung}, 48 eine reglerbasierte Turbinenleitstung P_Trbn,Regler, 50 einen Maximalwert für die gemäß dem aktuellen Betriebszustand der Brennkraftmaschine mögliche Turbinenleistung, 52 eine auf den Maximalwert 50 begrenzte Turbinenleistung P_Trbn,Lim und 54 eine Rückkoppelgrenze. Die reglerbasierte Turbinenleistung P_Trbn,Regler 48 ist im Wesentlichen ein Korrekturwert für die vorsteuerbasierte Turbinenleistung P_{Trbn,Vorsteuerung} 46 aufgrund der im Subtrahierer 32 bestimmten Differenz zwischen Ladedrucksollwert p_2,Soll 22 und Ladedruckistwert p_2,Ist 26.
Die Vorsteuerung 12 verwendet zur Bestimmung der vorsteuerbasierten Turbinenleistung P_{Trbn,Vorsteuerung} 46 die Turboladerhauptgleichung $π_{V} = \frac{p_{2}}{p_{1}} = {(1 + \frac{{\dot{m}}_{T}}{{\dot{m}}_{V}} \cdot η_{T} \cdot η_{V} \cdot η_{m} \cdot \frac{T_{3}}{T_{1}} \cdot \frac{c_{p . A}}{c_{p . L}} \cdot [1 - {(\frac{p_{4}}{p_{3}})}^{(\frac{κ_{A} - 1}{κ_{A}})}])}^{{(\frac{κ_{L}}{κ_{L} - 1})}_{L}},$
wobei π_V das Ladedruckverhältnis des Verdichters, p₁ der Druck stromauf des Verdichters, T₁ die Temperatur stromauf des Verdichters, p₂ der Druck stromab des Verdichters,T₂ die Temperatur stromab des Verdichters, p₃ der Druck stromauf der Abgasturbine, T₃ die Temperatur stromauf der Abgasturbine, p₄ der Druck stromab der Abgasturbine, T₄ die Temperatur stromab der Abgasturbine, ṁ_T der Abgasmassenstrom durch die Turbine, ṁ_V der Verbrennungsluftmassenstrom durch den Verdichter, η_T der isentrope Wirkungsgrad der Abgasturbine, η_V der isentrope Wirkungsgrad des Verdichters, η_m, der mechanische Wirkungsgrad c_p.A die spezifische Wärmekapazität des Abgases, c_p.L die spezifische Wärmekapazität der Verbrennungsluft, κ_A der Isentropenindex des Abgases und κ_L der Isentropenindex der Verbrennungsluft ist.
Der vorsteuerbasierten Turbinenleistung P_{Trbn,Vorsteuerung} 46 wird bei 64 ein Wert aus der Vorsteueradaption 36 hinzugefügt und dem Begrenzer 34 übergeben. Der Begrenzer 34 begrenzt den Wert für die Turbinenleistung aus der Vorsteuerung auf den Maximalwert 50. Dieser Maximalwert 50 wird in Block 56 durch Multiplikation des aktuellen Abgasmassenstrom mf_Exh der Brennkraftmaschine mit dem Term 42 bestimmt. Dieser so ermittelten, auf den Maximalwert 50 begrenzten, vorsteuerbasierten Turbinenleistung P_Trbn,Lim wird in dem Addierer 58 die reglerbasierte Turbinenleistung P_Trbn,Regler 48 sowie ein Ausgang der Vorsteuerung 38 hinzu addiert, so dass sich ein Turbinenleistung-Sollwert P_Trbn,Soll 60 ergibt. Dieser wird im Block 62 mittels des Termes z = f(T₃, p₃, p₄,...) 42 auf den Sollmassenstrom 44 mf_Trbn,Soll durch die Turbine des ATL umgerechnet. Im Weiteren werden aus diesem Sollmassenstrom 44 mf_Trbn,Soll Signale für wenigstens ein den Ladedruck beeinflussendes Stellglied des ATL abgeleitet.
Der Term 42 ergibt sich aus der oben beschriebenen Turbinenhauptgleichung und wird beispielsweise aus der folgenden Gleichung abgeleitet: ${\dot{m}}_{T r b n, S o l l} = \frac{{\dot{m}}_{V} \cdot c_{p . L} \cdot T_{1} \cdot \frac{1}{η_{V}} \cdot ({(\frac{p_{2, S o l l}}{p_{1}})}^{\frac{κ_{L} - 1}{κ_{L}}} - 1)}{c_{p . A} \cdot T_{3} \cdot η_{T} \cdot η_{m} \cdot (1 - {(\frac{p_{4}}{p_{3}})}^{\frac{κ_{A} - 1}{κ_{A}}})}$
Die vom Modell in der Vorsteuerung 12 berechnete Turbinenleistung P_{Trbn,Vorsteuerung} 46 wird auf die aktuell mögliche Turbinenleistung P_Trbn,Lim 52 mit dem Maximalwert 50 begrenzt. Dann wird der Regleranteil des Ladedruckreglers 14 als Turbinenleistung P_Trbn,Regler 48 eingespeist. Danach wird dann die Summe in den Turbinenmassenstrom 44 umgerechnet. Zusätzlich werden die Vorsteuerung 38 und die Vorsteueradaption 36 eingespeist. Mit dieser Struktur wird eine Rückkopplung vermieden. Der Reglerausgang wird durch das Modell an den Arbeitspunkt der Brennkraftmaschine angepasst. Der Regler kann dadurch mit weniger Parametern auskommen.
Der Sollmassenstrom mf_Trbn.Soll 44 durch die Turbine des ATL wird beispielsweise in eine Bypass-Klappen-Ansteuerung für eine Bypassklappe des ATL umgerechnet und auf diese Weise der Ladedruck p₂ beeinflusst.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem Verdichter zum Verdichten der der Brennkraftmaschine zugeführten Verbrennungsluft und wenigstens einem Stellglied (16) zum Beeinflussen eines Ladedruckes am Ausgang des Verdichters, wobei das Stellglied (16) mittels eines Ladedruckreglers (14) und einer Vorsteuerung (12) angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladedruckregler (14) in Abhängigkeit von einer Differenz von einem Ladedruckistwert P_2,Istwert (26) und einem Ladedrucksollwert p_2,Soll (22) eine reglerbasierte Antriebsleistung P_Trbn,Regler (48) für den Verdichter bestimmt und dass die Vorsteuerung (12) aus dem Ladedrucksollwert p_2,Soll (22) eine vorsteuerbasierte Antriebsleistung P_{Trbn,Vorsteuerung} (46) in Abhängigkeit von einem momentanen Betriebszustand der Brennkraftmaschine für den Verdichter bestimmt, wobei die reglerbasierte Antriebsleistung P_Trbn,Regler (48) und die vorsteuerbasierte Antriebsleistung P_{Trbn,Vorsteuerung} (46) zu einer Sollantriebsleistung P_Trbn,Soll (60) addiert werden, wobei aus der Sollantriebsleistung P_Trbn,Soll (60) betriebsartenunabhängige Ansteuersignale für wenigstens ein Stellglied (16) bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Vorsteuerung (12) bestimmte vorsteuerbasierte Antriebsleistung P_{Trbn,Vorsteuerung} (46) in Abhängigkeit von einem momentanen Betriebszustand der Brennkraftmaschine auf einen Maximalwert begrenzt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Maximalwert in Abhängigkeit von einem momentanen Abgasmassenstrom mf_Exh (40) der Brennkraftmaschine bestimmt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von dem Ladedruckregler (14) einen Proportional-, Intergral- und/oder Differentialanteil bestimmt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter von einer Abgasturbine angetrieben wird, wobei die reglerbasierte Antriebsleistung P_Trbn,Regler (48) sowie die vorsteuerbasierte Antriebsleistung P_{Trbn,Vorsteuerung} (46) jeweils als eine Abgasturbinenleistung bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestimmen von Ansteuersignalen für das Stellglied (16) aus der Sollantriebsleistung P_Trbn,Soll (60) diese in einen Sollmassenstrom mf_Trb,Soll (44) der Abgasturbine umgerechnet wird.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Vorsteuerung (12) die vorsteuerbasierte Antriebsleistung P_{Trbn,Vorsteuerung} (46) aus dem Ladedrucksollwert p_2,Soll (22) mittels der Turboladerhauptgleichung $π_{V} = \frac{p_{2}}{p_{1}} = {(1 + \frac{{\dot{m}}_{T}}{{\dot{m}}_{V}} \cdot η_{T} \cdot η_{V} \cdot η_{m} \cdot \frac{T_{3}}{T_{1}} \cdot \frac{c_{p . A}}{c_{p . L}} \cdot [1 - {(\frac{p_{4}}{p_{3}})}^{(\frac{κ_{A} - 1}{κ_{A}})}])}^{{(\frac{κ_{L}}{κ_{L} - 1})}_{L}}$
bestimmt wird, wobei π_V das Ladedruckverhältnis des Verdichters, p₁ der Druck stromauf des Verdichters, T₁ die Temperatur stromauf des Verdichters, p₂ der Druck stromab des Verdichters, T₂ die Temperatur stromab des Verdichters, p₃ der Durch stromauf der Abgasturbine, T₃ die Temperatur stromauf der Abgasturbine, p₄ der Druck stromab der Abgasturbine, T₄ die Temperatur stromab der Abgasturbine, ṁ_T der Abgasmassenstrom durch die Turbine, ṁ_V der Verbrennungsluftmassenstrom durch den Verdichter, η_T der isentrope Wirkungsgrad der Abgasturbine, η_V der isentrope Wirkungsgrad des Verdichters, η_m der mechanische Wirkungsgrad c_p.A die spezifische Wärmekapazität des Abgases, c_p.L die spezifische Wärmekapazität der Verbrennungsluft, κ_A der Isentropenindex des Abgases und κ_L der Isentropenindex der Verbrennungsluft ist.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollantriebsleistung P_Trbn,Soll (60) zusätzlich ein Dämpferwert hinzuaddiert wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vorsteuerbasierten Antriebsleistung P_{Trbn,Vorsteuerung} (46) vor dem Aufsummieren mit der reglerbasierten Antriebsleistung P_Trbn,Regler (48) zusätzlich ein Adaptionswert hinzuaddiert wird.
Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine, mit einem Verdichter zum Verdichten der der Brennkraftmaschine zugeführten Verbrennungsluft und mindestens einem Stellglied (16) zum Beeinflussen eines Ladedruckes am Ausgang des Verdichters, wobei das Stellglied (16) mittels eines nach einem oder mehreren der vorhergehenden Patentansprüche angesteuerten Ladedruckregler (14) und einer Vorsteuerung (12) angesteuert wird.