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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, insbesondere Diesel-Brennkraftmaschine, mit einer Aufladung mit einer Abgasrückführung und mit einem Motor mit einer Anzahl von Zylindern, der mittels Ladeluft und/oder Abgas der Aufladung aufladbar ist und mit einer Aufladeregelung mit einem äußeren Führungsregler und einem Nachfolgeregler, deren Führungsgröße wenigstens auf einer die Ladeluft betreffenden Ladeluft-Größe und einer das Abgas betreffenden Abgas-Größe der Aufladung basiert, wobei mittels der Aufladeregelung eine erste, insbesondere ladeluftstellende, Stellgröße und eine zweite, insbesondere abgasstellende, Stellgröße der Aufladung zugeordnet ist. Weiter betrifft die Erfindung eine Einrichtung zur Steuerung- und/oder Regelung einer Brennkraftmaschine, eine Brennkraftmaschine und eine Verwendung der Einrichtung zum Betrieb der Brennkraftmaschine.
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Der Betrieb einer Brennkraftmaschine, beispielsweise für schwere Nutzfahrzeuge oder sonstige Straßenfahrzeuge (Highway-Bereich) oder für ein Wasserfahrzeug oder für ein sonstiges nicht straßengebundenes Fahrzeug (Off-Highway-Bereich), wie ein Schienenfahrzeug oder dergleichen – insbesondere im Generator- und/oder Hybridbetrieb – erfolgt insbesondere für eine Diesel-Brennkraftmaschine, meist mittels einer drehzahl-basierten, oder drehmomenten-basierten Regelkreisstruktur. Gemäß Amplituden in der Signalkette und den Einspritzvorrichtungen werden unterschiedliche Kraftstoffmengen in die einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine eingespritzt, wodurch unterschiedliche Momentenbeiträge der Zylinder bewirkt werden. Bei einem Common-Rail-System wird der Kraftstoff von einer Niederdruckpumpe aus dem Kraftstofftank vor eine Hochdruckpumpe gefördert. Diese wiederum fördert den Kraftstoff unter Druckerhöhung in ein Rail (Hochdruckspeicher). Im Strömungspfad zwischen der Niederdruckpumpe und der Hochdruckpumpe ist eine veränderbare Saugdrossel angeordnet. Über diese wird der Zulauf zur Hochdruckpumpe eingestellt.
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Insbesondere bei einem System der vorgenannten Art haben sich bestimmte Vorgehensweisen zur Aufladung einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Diesel-Brennkraftmaschine, bewährt. Insbesondere eignen sich für schwere Diesel-Brennkraftmaschinen zweistufige Aufladungen mit einer Hochdruckstufe und einer Niederdruckstufe sowie einer Abgasrückführung. Die Aufladung wird zur Leistungsdimensionierung insbesondere einer schweren Diesel-Brennkraftmaschine als auch zur Reduzierung von schädlichen Abgasemissionen genutzt; letzteres betrifft insbesondere die Reduzierung von Abgaswerten für Stickoxide und Partikel im Abgas. Insbesondere auch zur Erfüllung zunehmend restriktiver Vorschriften zur Reduzierung von Abgaswerten können unterschiedliche Formen der Abgasnachbehandlung genutzt werden. Als besonders effektiv hinsichtlich Aufwand und Nutzen hat sich darüber hinaus eine effektive Auslegung der Abgasrückführung im Rahmen einer Aufladung einer Diesel-Brennkraftmaschine erwiesen. Während die Regelung einer Aufladung im Rahmen des Betriebs einer Diesel-Brennkraftmaschine unter verschiedenen Gesichtspunkten zur Leistungsoptimierung vorteilhaft ist, sind Regelungen zur Kontrolle von Abgaswerten noch erheblich verbesserbar. Bislang bekannte Ansätze sind entweder zu aufwendig oder nur begrenzt wirksam. Ein Grund dafür ist unter anderem darin zu suchen, dass sich ein Aufladungssystem bei größerer Dimensionierung der Aufladung als vergleichsweise komplex erweist, insbesondere in einem stark transienten Betrieb einer Diesel-Brennkraftmaschine. Desweiteren ist eine Diesel-Brennkraftmaschine jedenfalls grundsätzlich auf die Anwendung zum Teil speziell ausgelegt, sodass deren Spezifitäten auch bei der Regelung eines Aufladesystems zu berücksichtigen sind.
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Transiente Regelungsansätze für eine Diesel-Brennkraftmaschine sind grundsätzlich bekannt, z. B. aus
US 2009/0 090 329 A1 .
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Aus
WO 2008/131 788 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb einer Kraftfahrzeugverbrennungskraftmaschine mit einer Regelung zur Einstellung von NOx-Emissionen im Abgas bekannt, wobei eine NOx-Regelung mit einer Verbrennungsregelung kombiniert ausgeführt wird. Dazu kann in einer Regeleinheit beispielsweise ein Abgasrückführungsmodell hinterlegt sein. Des Weiteren kann dort ebenfalls ein Luftaufwandmodell hinterlegt sein. Die Regelung kann als eine Kaskadenregelung ausgeführt sein, wobei die NOx-Regelung als äußere Kaskade und die Verbrennungsregelung als innere Kaskade genutzt wird. Unter anderem kann ein Drucksensor an einem Zylinder zur Verbrennungsregelung sowie eine Lambda- und/oder NOx-Sonde zur NOx-Regelung vorgesehen sein. Es werden verschiedene Stellglieder zur Umsetzung des Regelungskonzepts vorgeschlagen; unter anderem zur Regelung der Abgasrückführungsrate und der Druckaufladung. Eine Korrelationseinrichtung ist vorgesehen, die in der Lage ist Werte von Regelungsmitteln miteinander zu verknüpfen und im Rahmen einer Gesamtregelung einem zentralen Motorsteuergerät zuzuführen. Diese Art einer Regelung bleibt jedoch einfachen Kopplungsansätzen und eindimensionaler Größenbildung verhaftet und greift u.a. deswegen zu kurz. Dazu ist dieser Ansatz vergleichsweise unspezifisch, kann also den Besonderheiten einer Aufladung mit Abgasrückführung nicht ausreichend gerecht werden.
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DE 10 2005 015 609 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Steuern einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader-Regler, der gemäß der dort dargestellten
2 abhängig von dem Soll-Ladedruck BP_SP und einem Ist-Ladedruck BP_AV einen Regel-Stellgrößen-Abgasgegendruck FB_SG_PEXH ermittelt. Ein Abgasrückführ-Regler ist vorgesehen, der abhängig von einem Soll-Luftmassenstrom MAF_SP und einem Ist-Luftmassenstrom MAF_AV einen Regel-Stellgrößen-Abgasrückführmassenstrom FB_SG_EGR ermittelt. Die von solchen äußeren Führungsgliedern berechneten Ausgabegrößen werden einer ersten und zweiten Entkopplungseinheit zugeführt sowie einer ersten und zweiten Umsetzungseinheit, die ausgebildet sind, jeweils ein Stellsignal für das Abgasturbolader-Stellglied bzw. Abgasrückführventil-Stellglied ATL_S_SIG, S_SIG_EGR zu ermitteln. Die Entkopplungseinheiten reagieren insofern lediglich abhängig von einem Vorsteuerungs-Stellgrößenwert.
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Wünschenswert ist ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Diesel-Brennkraftmaschine, das vergleichsweise variabel, insbesondere im Hinblick auf unterschiedliche Anwendungen, d. h. breitbandig auslegbar ist, jedoch darüber hinaus im speziellen Fall effizient zur Regelung einer Aufladung mit Abgasrückführung unter Berücksichtigung der Nichtlinearität und Komplexität der Systeme eingesetzt werden kann.
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An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, ein Verfahren und eine Vorrichtung sowie eine Verwendung anzugeben, mittels der ein Betrieb einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Diesel-Brennkraftmaschine, mit einer Aufladeregelung in verbesserter Weise möglich ist. Insbesondere soll eine Vorrichtung und ein Verfahren ausgelegt sein, eine Aufladeregelung in bestehende Regelungssysteme einer Brennkraftmaschine integrieren zu können, wie beispielsweise in ein eingangs genanntes drehzahlbasiertes oder momentenbasiertes Regelkonzept. Insbesondere soll ein Verfahren und eine Vorrichtung vergleichsweise breitbandig ausgelegt sein, vorzugsweise automatisiert auslegbar sein, um selbst für unterschiedlichste Anwendungsgebiete und damit variierenden Emissionsgesetzgebungen automatisiert appliziert werden zu können. Insbesondere soll ein Verfahren und eine Vorrichtung trotz breitbandiger Auslegung hinsichtlich der Struktur ausreichend effizient bzw. effektiv modifizierbar sein, um auch für zukünftige Emissionsrichtlinien wirksame Emissionsgrenzen bei einer Aufladung mit einer Abgasrückführung im speziellen Anwendungsfall garantieren zu können.
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Die Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens wird durch ein Verfahren des Anspruchs 1 gelöst. Die Aufgabe hinsichtlich der Vorrichtung wird durch eine Einrichtung des Anspruchs 11 gelöst. Die Aufgabe führt auch auf eine Brennkraftmaschine, insbesondere Diesel-Brennkraftmaschine, des Anspruchs 19 sowie eine Verwendung nach Anspruch 22.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass einfache Kopplungsstrukturen von Teilregelungssystemen wie sie bislang im Stand der Technik vorgeschlagen sind bei einem komplexen System einer Aufladung mit einer Abgasrückführung, insbesondere einen transienten Betrieb desselben mit unterschiedlichen Motorauslegungen, nicht gerecht werden kann. Die Erfindung geht auch von der Überlegung aus, dass es möglich sein sollte, mit modernen mathematischen Methoden und ausreichend ausgelegten system-dynamischen Grundlagen sowie Recheneinheiten, insbesondere geeigneter Software und Hardware, möglich sein sollte, nicht nur einem komplexen System einer Aufladung mit einer Abgasrückführung gerecht zu werden, sondern auch ein automatisiert applizierbares Regelkonzept für eine Aufladung zu entwerfen; ein solches Regelkonzept ist zum einen ausreichend spezifizierbar und damit effizient und zum anderen breitbandig auslegbar. Die Erfindung hat erkannt, dass Grundlage eines solchen Konzepts eine Aufladeregelung mit einem äußeren Führungsregler und einem Nachfolgeregler ist, der erfindungsgemäß ein kaskadierter innerer Nachfolgeregler ist. Die Erfindung identifiziert als Führungsgröße der Aufladeregelung wenigstens eine auf der Ladeluftgröße und wenigstens eine auf der Abgasgröße der Aufladung basierende Größe. Mittels der Aufladeregelung ist eine erste Stellgröße und eine zweite Stellgröße der Aufladung zugeordnet. Das Konzept ist damit überall da anwendbar, wo zwei oder mehr Stellglieder, wie Aktuatoren od. dgl., in der Aufladung beteiligt sind. Das Konzept ordnet in einer Weiterbildung insbesondere den wichtigsten Aufladeparametern – nämlich eine die Ladeluft betreffende und eine das Abgas betreffende Größe – geeignete Stellgrößen, d.h. eine erste Ladeluft stellende Stellgröße und eine zweite Abgas stellende Stellgröße zu; insbesondere zur Steuerung eines ersten und zweiten Stellgliedes z. B. wie ein AGR-Steuermittel und/oder ein Bypass und/oder VTG-Steuermittel (AGR = Abgasrückführung; VTG = Variable Turbinengeometrie).
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Darüber hinaus hat das Konzept der Erfindung aufbauend auf dem vorgenannten Führungsansatz erfindungsgemäß erkannt, dass – bei geeigneter Auslegung der Führungsregelung – ein wirksamer Einsatz eines wenigstens zweidimensionalen Mehrgrößenreglers, insbesondere Mehrkanal-Reglers, möglich ist, der ausgebildet ist zum Berechnen der ersten Stellgröße und der zweiten Stellgröße basierend auf dem inneren ersten Führungswert und dem inneren zweiten Führungswert in wenigstens zweidimensionaler Abhängigkeit voneinander. Ein Mehrgrößenregler, insbesondere Mehrkanalregler, ist besonders bevorzugt als Zustandsregler gebildet.
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Eine Weiterbildung hat erkannt, dass die Berücksichtigung einer Komplexität einhergeht mit ausreichender Vorbereitung der von dem bevorzugt als Zustandsregler gebildeten Nachfolgeregler zugeführten inneren Führungswerten. Die Erfindung und die Weiterbildung haben erkannt, dass dies gewährleistet ist, wenn ein erster und zweiter äußerer Führungsregler vorgesehen ist. Vorzugsweise ist – im Rahmen einer besonders effizienten Auslegung – der erste und zweiter äußere Führungsregler ungekoppelt vorgesehen. Die Führungsregler sind ausgebildet innere erste und zweite Führungswerte basierend auf der Ladeluftgröße und Abgasgröße zu beeinflussen. Die inneren ersten und zweiten Führungswerte werden dem Nachfolgeregler zugeführt zur Berechnung der, insbesondere die Ladeluft stellenden, ersten Stellgröße und, insbesondere das Abgas stellenden, zweiten Stellgröße. Grundsätzlich kann der erste und zweite Führungsregler auch gekoppelt sein oder im Rahmen eines führenden Mehrgrößenreglers, insbesondere Mehrkanalreglers, gebildet sein.
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Es hat sich gezeigt, dass diese Struktur eines Regelkonzepts ausreichend automatisiert sowie breitbandig auslegbar ist, insbesondere aufgrund des integrierten wenigstens zweidimensionalen Auflademodells. Andererseits erweist sich das vorliegende Regelkonzept, insbesondere mit entkoppelten Führungsreglern, als effizient und belastbar infolge der mehrdimensionalen Auslegung mit wenigstens einem ersten äußeren Führungsregler und einem zweiten äußeren Führungsregler sowie der Verarbeitung wenigstens der vorzugsweise mehrdimensionalen Ladeluftgröße (z. B. p5, p6 der 2) und der vorzugsweise mehrdimensionalen Abgasgröße (z. B. x5, mAGR der 2). Damit lassen sich auch komplexe Kopplungen im Rahmen einer Aufladung mit Abgasrückführung – über bloße lineare Kopplungsglieder hinausgehend – berücksichtigen. Es können vielmehr modellbasierte Mittel zur Schätzung oder Beobachtung oder dergleichen Simulation eingesetzt werden.
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Insbesondere hat sich das Konzept als vorteilhaft erwiesen für eine zweistufige Aufladung mit Hochdruckabgasrückführung.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, das oben erläuterte Konzept im Rahmen der Aufgabenstellung sowie hinsichtlich weiterer Vorteile zu realisieren.
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Insbesondere ist der erste äußere Führungsregler Teil eines ersten äußeren Regelkreises und/oder der zweite äußere Führungsregler Teil eines zweiten äußeren Regelkreises.
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Insbesondere sind der erste äußere Führungsregler und der zweite äußere Führungsregler ungekoppelt. Grundsätzlich ist jedoch nicht ausgeschlossen unter Berücksichtigung einer Regelgüte auch eine Kopplung des ersten und zweiten Führungsreglers vorzusehen oder die Ausführung derselben im Rahmen eines Mehrgrößenreglers, insbesondere eines Mehrkanalreglers; dann können noch bessere Ergebnisse geliefert werden.
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In einer, vergleichsweise vereinfachten, bevorzugten Weiterbildung kann der kaskadierte, innere Nachfolgeregler als ein zweidimensionaler Mehrkanal-Regler gebildet sein, in dem die wenigstens zweidimensionale Abhängigkeit im Rahmen einer zustandsabhängigen und/oder kopplungsstärkeabhängigen wenigstens zweidimensionalen Kopplung, insbesondere Kreuzkopplung, insbesondere dynamischen oder statischen Kopplung, zwischen den inneren ersten und zweiten Führungswerten und den ersten und zweiten Stellgrößen dargestellt ist. Die Weiterbildung lässt sich in Hardware- und Software vergleichsweise einfach und für eine hohe Rechengeschwindigkeit umsetzen und eignet sich insbesondere für eine on-line oder Realzeit Anwendung. Ein Kopplungszusammenhang kann beispielsweise durch eine einfache statische Kopplungskonstante oder Kopplungskennlinie realisiert sein. Ein Kopplungs-Zusammenhang kann auch durch eine einfache phänomenologische oder physikalische Zustands-Gleichung oder eine Lösung derselben gegeben sein. Insbesondere weist eine Kopplung eine Kreuzkopplung zwischen ersten und zweiten Werten auf; z. B. zwischen innerem ersten Führungswert und zweiter Stellgröße und innerem zweiten Führungswert und erster Stellgröße.
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Im Rahmen einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist der wenigstens zweidimensionale Mehrkanal-Regler ein wenigstens zweidimensionaler Zustandsreglers, in dem ein Auflademodell hinterlegt ist. Das Auflademodell umfasst bevorzugt die Modellierung wenigstens einer Ladeluftgröße und wenigstens einer Abgasgröße im Rahmen eines wenigstens zweidimensionalen Zustandsraumes. Mittels dem Modell ist eine Modellierung der Aufladung mit Abgasrückführung ermöglicht; zudem erlaubt die wenigstens zweidimensionale Auslegung des Nachfolgereglers die ausreichende Berücksichtigung des komplexen Zustandsraumes der Aufladung. Vorteilhaft ist in dem Zustandsregler ein Auflade-Modell der Aufladung und/oder des Motors basierend auf einem physikalischen Prozess-Zusammmenhang hinterlegt, mittels dem eine wenigstens zweidimensionale Abhängigkeit zwischen inneren ersten und zweiten Führungswerten und ersten und zweiten Stellgrößen simulierbar ist. Grundsätzlich kann sowohl ein komplettes Modell aber auch Teile eines Modells oder auch Teilmodelle in stark reduzierter Form gewählt werden, um den Zustandsregler zu realisieren. Es können vergleichsweise vereinfachte Zusammenhänge mittels einfachen Gleichungen oder Gleichungsnäherungen – mit oder ohne physikalischen Hintergrund – gewählt werden. Es können numerische Simulationen genutzt werden.
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Insbesondere hat sich die Integration eines Beobachter-Konzepts im inneren kaskadierten Nachfolgeregler bewährt. Insbesondere ein Luenberger Beobachter hat sich gegenüber anderen Beobachter-Konzepten als vergleichsweise resistent gegenüber transienten Störungen erwiesen. Bezüglich des Luenberger Beobachters wird beispielsweise auf Grundlagen der Regelungstechnik wie die bei Otto Föllinger „Regelungstechnik“, Dr. Alfred Hüttich Verlag, Heidelberg 1990 verwiesen. Auf den Seiten 502 ff. ist zu entnehmen, wie sich Beobachter-Parameter bestimmen lassen und komplexe Übertragungsfunktionen für eindimensionale oder mehrdimensionale Zustandsräume ausführbar sind. Während sich ein Luenberger-Beobachter als grundsätzlich vorteilhaft erweist so, sind dennoch andere Beobachter-Konzepte ebenfalls geeignet, insbesondere unter geeigneter Implementierung und Systembildung, beispielsweise mittels einer Systemmatrix eines linearisierten oder nicht-linearen Systems.
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Wenn genug verlässliche Sensorsignale vorhanden sind, können diese virtuelle Sensoren, insbesondere durch Beobachter-Konzepte realisierte virtuelle Sensoren in zunehmendem Masse ersetzen. Virtuelle und/oder reale Sensorsignale können direkt an einen Führungsregler und/oder Nachfolgeregler angekoppelt (Eingang und/oder Ausgang) und/oder eingebunden (innere Struktur des Reglers) werden.
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Das Konzept der Erfindung hat sich insbesondere bewährt zur Verwendung bei Dieselmotoren für den HeavyDuty- und Railway-Einsatz auch im Hinblick auf zunehmend restriktive Emissionsvorschriften. Eine Besonderheit solcher und anderer Off-Highway Einsatzgebiete ist eine relativ kleine Stückzahl von Motoren sehr unterschiedlicher Anwendungsgebiete und variierender Emissionsgesetzgebung. Um eine solche Vielfalt effizient zu bewirtschaften, hat sich die Möglichkeit der automatisierten Applizierung im Rahmen des Konzepts als besonders vorteilhaft erwiesen.
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Insgesamt ermöglicht das Regelungsverfahren, insbesondere das modellbasierte, gemäß dem Konzept eine breitbandig auslegbare und dennoch effiziente Regelung von insbesondere Diesel-Brennkraftmaschinen mit einer Aufladung sowie einer Abgasrückführung. Insbesondere ausgehend von einer regelungstechnisch orientierten Modellbildung des Dieselmotors inklusive seiner Zusatzaggregate und Abgasnachbehandlungssystemen ist eine gezielte Auslegung der Regelsysteme der Brennkraftmaschine bereits in einer Simulation möglich; ansonsten im Rahmen einer mittels einer zustandsabhängigen und/oder kopplungsstärkeabhängigen wenigstens zweidimensionalen rechentechnischen Kopplung, insbesondere Kreuzkopplung, insbesondere dynamischen oder statischen Kopplung. Dies kann zusätzlich oder alternativ in eine Modellparametrierung, einer Regelkonzeptentwicklung, einer Regelsystemspezifikation sowie schließlich der Regelausführung mit Führungsregler und Nachfolgeregler und der SOLL-Wertgenerierung eingehen.
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Das Konzept und seine Weiterbildungen sind im Hinblick auf eine mehrdimensionale, die Ladeluft berücksichtigende Ladeluftgröße und/oder eine mehrdimensionale eine Abgasmenge berücksichtigende Abgasgröße besonders effizient und stabil. Insbesondere können eine Ladeluftgröße und eine Abgasgröße ganz oder teilweise auf der Abgasseite und/oder der Ladeseite des Motors bestimmt werden; nämlich beispielsweise als Regelgröße mittels einer realen und/oder virtuellen Sensorik. Das erste Stellglied ist bevorzugt ein Ladedruckstellglied. Das zweite Stellglied ist bevorzugt ein Abgasrückführstellglied. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, das oben erläuterte Konzept der Rahmen der Aufgabenstellung sowie hinsichtlich weiterer Vorteile zu realisieren.
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Besonders bevorzugt ist den ersten äußeren Führungsregler als erster äußerer Führungswert ein Steuerwert, insbesondere eine SOLL/IST-Abweichung, in diesem Fall der Ladeluftgröße, zuführbar. Insbesondere ist zusätzlich oder alternativ dem zweiten äußeren Führungsregler als äußerer zweiter Führungswert ein Steuerwert, insbesondere eine SOLL/IST-Abweichung, in diesem Fall der Abgasgröße, zuführbar. Ein Steuerwert lässt sich grundsätzlich auf unterschiedliche und nach Anwendungsfall angemessene Weise ermitteln. Bevorzugt ist ein Steuerwert aus einer Vorsteuerung gewonnen, insbesondere indem der erste und/oder zweite äußere Führungsregler im Rahmen einer Vorsteuerung gebildet ist. Dem ersten und/oder zweiten äußeren Führungsregler kann auch, zusätzlich oder alternativ, eine Regelabweichung zwischen SOLL- und IST-Werten zugeführt werden, nämlich basierend auf der Ladeluft-Größe bzw. der Abgas-Größe; bevorzugt wird ein Absolutwert einer SOLL-Größe ausgegeben – nämlich bevorzugt ein innerer SOLL-Wert zur Bestimmung eines inneren Führungswertes für den inneren kaskadierten Nachfolgeregler. Bevorzugt wird eine Regelabweichung zwischen SOLL- und IST-Werten an einer ersten und/oder zweiten Eingangsschnittstelle der Führungsregler bestimmt. Bevorzugt wird auch eine Regelabweichung zwischen SOLL- und IST-Werten an einer dritten und vierten Eingangsschnittstelle des Nachfolgereglers bestimmt. In einer für den Zustandsregler vorteilhaften Weise wird dem kaskadierten inneren Nachfolgeregler eine auf einem vorgenannten inneren ersten SOLL-Wert basierende SOLL/IST-Abweichung an einer dritten und/oder vierten Eingangsschnittstelle zur Verfügung gestellt. Dem inneren Nachfolgeregler können zusätzlich oder alternativ ein oder mehrere Steuerwerte, insbesondere aus einer Vorsteuerung, als innerer erster und/oder zweiter Führungswert zugeführt werden.
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Es hat sich im Rahmen des Konzepts als besonderes vorteilhaft und die Regelgüte verbessernd erwiesen, dass alle Regler der Aufladeregelung an einer Eingangsschnittstelle eine SOLL/IST-Abweichung eines SOLL-Wertes und eines IST-Wertes als Eingangswerte nutzen, die in einer Eingangsschnittstelle bestimmt werden. In einer besonders bevorzugten Weiterbildung berechnen alle Regler der Aufladungsreglung Absolutwerte; die Führungsregler berechnen diese als innere SOLL-Werte und der Nachfolgeregler als Stellgrößen an einer Ausgangsschnittstelle der Aufladeregelung. Zusätzlich oder alternativ können allen Reglern der Aufladeregelung Vorsteuerwerte, insbesondere aus einer gemeinsamen oder jeweils einem Regler zugeordneten Vorsteuerung, als Führungswerte zugeführt werden.
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Darüber hinaus hat es sich, je nach Verfügbarkeit von Sensoren, als vorteilhaft erwiesen, dass direkt auf ein Sensorsignal als SOLL-Wert geregelt wird. Zusätzlich oder alternativ kann ein SOLL-Wert auch durch einen Beobachter, Schätzer oder dergleichen virtuellen Sensor zur Verfügung gestellt werden, mittels dem eine gegebenenfalls nicht messbare Größe geschätzt werden kann, um diese in den Regelkreis der Aufladeregelung einzuspeisen.
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Insbesondere hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass ein äußerer erster IST-Wert der Ladeluftgröße einem Ausgang eines äußeren Sensors entnommen wird, an dessen Eingang eine Regelgröße der Ladeluftgröße anliegt. Insbesondere kann ein äußerer zweiter IST-Wert der Abgasgröße einem Ausgang eines äußeren Schätzers entnommen werden, an dessen Eingang eine Regelgröße der Abgasgröße anliegt. Ein äußerer erster SOLL-Wert der Ladeluftgröße und/oder ein äußerer zweiter SOLL-Wert der Abgasgröße kann insbesondere gesteuert vorgegeben werden. Dazu eignen sich beispielsweise ein Kennlinienfeld und/oder eine zentrale Steuereinrichtung. Diese und andere Maßnahmen haben sich als vorteilhaft erwiesen, um anzuwendende Emissionsgesetzgebungen in anpassbarer Weise einem Regelkreis der Aufladeregelung zuzuführen. Als besonders bevorzugt erwiesen haben sich Ansätze zur Komplett-Regelung erwiesen, die weitestgehend den Einsatz von Kennfeldern reduziert. Vorteilhaft ist deshalb eine SOLL-Wert-Generierung aus überlagerten Drehzahl-, Drehmoment- und/oder Emissionsregelungen und/oder aus einer zentralen Steuer- und/oder Regeleinrichtung (ECU, ADEC). Das vorliegende Konzept ist besonders vorteilhaft ausgelegt, um in bestehende Regelkonzepte integriert zu werden.
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In einer die Regelgüte besonders vorteilhaft verbessernden Weise ist der erste und der zweite äußere Führungsregler ungekoppelt. Gleichwohl ist es möglich, den ersten und/oder zweiten Führungsregler schwach oder in sonstiger Weise geeignet zu koppeln. Auch kann die Aufladeregelung je nach Bedarf weitere Führungsregler zur Erstellung weiterer SOLL-Werte als Eingang für den inneren kaskadierten Nachfolgeregler vorsehen. Auch erlaubt es das Konzept der Erfindung, eine weitere Kaskadierung vorzusehen, in der Weise, dass die hier im Einzelnen beschriebene Aufladeregelung, Teil einer weiteren äußeren Kaskade einer Regelung ist.
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Die Führungsregler sind in besonders bevorzugter Weise als Einkanalregler (SISO), vorzugsweise in Form eines PI-Reglers gebildet. Grundsätzlich eignet sich auch ein P-Regler oder PID-Reglers oder andere eindimensionale Übertragungsfunktionen wie PID + Lead je nach Ausbaustufe. In einer Weiterbildung kann der erste und/oder der zweite äußere Führungsregler zusätzlich oder alternativ im Rahmen einer Vorsteuerung gebildet sein. Auf diese Weise können Steuerwerte in Form von Vorsteuerwerten zusätzlich oder alternativ zu einer SOLL/IST-Abweichung als Führungswerte einen Regler, insbesondere Führungsregler und/oder Mehrgrößenregler, zur Verfügung gestellt werden.
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Der kaskadierte innere Nachfolgeregler ist insbesondere als ein wenigstens zweidimensionaler, bevorzugt mehrdimensionaler Mehrkanalregler gebildet (MIMO). Das Regelkonzept erweist sich in dieser Weiterbildung als in der Hardware und/oder hinsichtlich des Rechenaufwands effizient umsetzbar, wobei dennoch eine hohe Regelgüte erzielt wird.
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Während sich die Erfindung als besonders nützlich für die Anwendung betreffend Diesel-Brennkraftmaschinen erweist und/oder als besonders bevorzugt zur Verwendung in einem Off-Highway-Bereich zu verstehen ist und während die Erfindung im folgenden im Detail anhand von Beispielen für eine Dieselbrennkraftmaschine beschrieben ist, so sollte dennoch klar sein, dass das hier beschriebene Konzept wie beansprucht ebenfalls nützlich sein kann für einen Highway-Bereich und/oder für eine beliebige Brennkraftmaschine. Insbesondere gehören zu den Brennkraftmaschinen solche auf Basis eines Benzin-, Diesel-, Gas-, Dual-Fuel od. dgl. Kraftstoff. Besonders bevorzugt eignet sich das Konzept für mittelschnell- und schnelllaufende Gross-Dieselbrennkraftmaschinen, insbesondere ausgelegt für mehr als 1000U/min, vorzugsweise mehr als 1800U/min vorzugsweise mehr als 2000U/min, und/oder mit mehr als 12 Zylinder, bevorzugt mit gleich oder mehr als 16 Zylinder; das Konzept ist jedoch nicht beschränkt darauf. Insbesondere eignet sich das Konzept damit für mittelschnell und schnelllaufende Gross-Diesel-Brennkraftmaschinen mit einer Aufladung überall dort wo Aktuatoren in der Aufladung beteiligt sind; vorzugsweise bei einer zwei- oder mehrstufigen Hochdruckaufladung mit einer Hochdruckabgasrückführung. Auch wenn das Konzept an einem solchen Beispiel im Folgenden beschrieben ist, so ist es nicht darauf beschränkt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnung im Vergleich zum Stand der Technik, welcher zum Teil ebenfalls dargestellt ist, beschrieben. Diese soll die Ausführungsbeispiele nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Die in der Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte Offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein. Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in:
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1 ein Ersatzschaltbild einer Diesel-Brennkraftmaschine mit einer zweistufigen Aufladung und einer Hochdruckabgasrückführung, wobei ein erstes Stellglied für einen Turbinen-Bypass (WasteGate) und ein zweites Stellglied für eine Abgasrückführung (AGR-Klappe) vorgesehen ist, die über Ausgänge eines zweidimensionalen inneren kaskadierten Zustandsreglers ansteuerbar sind;
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2 ein Blockschaltbild als Beispiel für eine mehrdimensionale kaskadierte Zustandsregelung den zweidimensionalen inneren kaskadierten Zustandsregler als Nachfolgeregler zu zwei ungekoppelten Einkanal-Reglern als Führungsregler; die Führungswerte der Regler bestimmen sich (wie gezeigt) als SOLL/IST-Abweichungen der vorliegenden Ausführungsform – in einer Abwandlung können zusätzlich oder alternativ Vorsteuerungen zur Bestimmung von Vorsteuerwerten als Führungswerte vorgesehen sein.
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1 zeigt eine Diesel-Brennkraftmaschine 1000 mit einem Motor 200, der ladeluftseitig über einen Ladeluftkrümmer 201 und abgasseitig über einen Abgaskrümmer 202 an eine Aufladung 300 zur Führung von Verbrennungsluft und Verbrennungsgasen angebunden ist. Der Motor 200 ist hier mit einer Anzahl von vier Zylindern 203, 204, 205 und 206 dargestellt, wobei die Anzahl der Zylinder lediglich beispielhaft gewählt ist; insbesondere kann die Anzahl der Zylinder vorzugsweise sechs, acht, sechzehn, zwölf oder vierundzwanzig betragen. Der Motor wird über ein Common-Rail-Einspritzsystem 210 mit Diesel-Kraftstoff versehen. Das Common-Rail-Einspritzsystem umfasst ein Rail 211, dem Kraftstoff aus einem Kraftstoffspeicher 212 über eine Förderpumpe 213, eine Drossel 214 sowie eine Hochdruckpumpe 215 zugeführt wird. Aus dem Rail 211 kann Dieselkraftstoff über eine Kombination eines Injektors 216 mit einem diesem vorgeschalteten Einzelspeicher 217 in einen Zylinder 203, 204, 205, 206 eingespritzt werden. Der Einfachheit halber ist für die Injektoren und Einzelspeicher wie auch für sonstige identische oder ähnliche Teile oder Teile identischer oder ähnlicher Funktion das gleiche Bezugszeichen benutzt.
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Eine Drehmoment oder Drehzahl bezogene Regelung einer Einspritzung kann über eine geeignete Drucksensorik am Injektor 216 und/oder Einzelspeicher 217 und/oder Rail 211 erfolgen, die vorliegend nur symbolisch dargestellt ist. Durch entsprechende Steuer- und/oder Sensorleitungen 221 zu einem Sensor am Einzelspeicher 217 und Steuer- und/oder Sensorleitungen 222 zum Rail 211 können zu einem Motorsteuergerät ECU entsprechende Sensordaten der Drucksensorik übermittelt werden und in umgekehrter Richtung Steuerdaten zur Einspritzregelung übergeben werden.
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Die Aufladung 300 des Motors 200 ist vorliegend als eine zweistufige Aufladung mit einer Niederdruckstufe 310 und einer Hochdruckstufe 320 ausgeführt. Die Niederdruckstufe 310 weist einen mittels einer Niederdruckturbine 312 in einer Abgasleitung 343 einer Abgasführung 340 über eine erste Welle 313 angetriebenen Niederdruckverdichter 311 auf, mittels dem Ladeluft LL in einer Ladeluftführung 330 komprimierbar ist. Die über einen Niederdruckwärmetauscher 351 eines Wärmetauschersystems 350 abgekühlte Ladeluft LL wird einem Hochdruckverdichter 321 der Hochdruckstufe 320 zugeführt. Der Hochdruckverdichter 321 wird mittels einer in der Abgasleitung 343 der Abgasführung 340 angeordnete Hochdruckturbine 322 über eine zweite Welle 323 angetrieben. Die hochdruckverdichtete Ladeluft kann weiter in der Ladeluftleitung 333 einem Hochdruckkühler 352 zugeführt und in der weiter abgekühlten Form sowie mit rückgeführtem Abgas AGR gemischt über eine Aufladungsleitung 332 und dem Ladeluftkrümmer 201 schließlich den Zylindern 203, 204, 205, 206 des Motors 200 zugeführt werden.
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Die Menge an Ladeluft LL kann in der Ladeluftführung 330 über eine Drosselklappe 331 angedrosselt und in geeigneter Weise gesteuert und/oder geregelt werden. Die Abgasmenge von Abgas AG in der Abgasführung 340 kann – unter anderem – zur Leistungsregelung unterschiedlich geführt werden.
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So kann über eine Abgasrückführleitung 363 einer Abgasrückführung 360 und je nach Stellung eines Abgasrückführventils 361 in der Abgasrückführleitung 363 die rückgeführte Abgasmenge des rückgeführten Abgas AGR generell gemäß einer in 2 gezeigten zweiten Stellgröße 196 für ein abgastellendes Stellglied 198, die in 1 die Stellung uAGR des Abgasrückführventils 361 bezeichnet, eingestellt werden. Rückgeführtes Abgas AGR kann über einen Abgaskühler 362 in der Abgasrückführleitung 363 der Ladeluftführung 330 zugeführt werden und mit Ladeluft LL aus der Ladeluftleitung 333 gemischt über eine Aufladungsleitung 332 dem Ladeluftkrümmer 201 zur weiteren Aufladung des Motors 200 dienen. Im Rahmen einer Drehzahl- und/oder Drehmomentbezogenen Abgasrückführregelung kann eine sinnvolle Steuerung- und/oder Regelung und/oder Regelung der Abgasrückführrate vorgegeben werden. Insbesondere können im Rahmen einer vorliegend anhand von 2 grundsätzlich beschriebenen Regelungsstruktur auch Abgaswerte verbessert werden, d. h. insbesondere eine vergleichsweise geringe Stickoxidemission bei gleichzeitiger Minimierung einer Partikelemission erreicht werden. Dazu können u. a. im Rahmen einer in 2 gezeigten Messsensorik 301 geeignete Sonden wie eine Lambdasonde, eine NOx-Sonde oder ein Partikel-Sensor, in nicht näher dargestellter Weise in der Aufladung 300 angeordnet und mit dem Motorsteuergerät ECU verbunden sein. Die Messsensorik 301 kann darüber hinaus Druck- und Temperatur- und Strömungssensoren, wie einen Durchflusssenor od. dgl. für ein Aufladefluid umfassen. Insbesondere kann eine nicht weiter gezeigte Motorsensorik nicht nur die oben genannte Drucksensorik umfassen, sondern auch z. B. Drehzahlsensoren od. dgl. die zur Drehmomentenbestimmung des Motors 200 dienlich ist.
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In der Aufladung 300 ist darüber hinaus eine Ladedruckregelung in Form eines sogenannten Wastegates umgesetzt, nämlich im Rahmen eines Turbinenbypass 370 mit einem Bypassventil 371 in einer Bypass-Leitung 373 realisiert. In der Abgasleitung 343 der Abgasführung 340 geführtes Abgas AG kann so unter Umgehung der Hochdruckturbine 322 direkt der Niederdruckturbine 312 zugeführt werden, so dass ein Betrieb des Hochdruckverdichter 321 gemäß der Stellung des Bypassventils 371 variiert wird, z.B. mit niedrigerer oder höherer Drehzahl erfolgt, und entsprechend die Verdichtung von Ladeluft im Hochdruckverdichter 321 variiert. Im Einzelnen kann die Stellung des Bypassventils 371 einer Lastregelung des Motorsteuergeräts ECU folgen. Darüberhinaus können im Rahmen einer vorliegend anhand von 2 grundsätzlich beschriebenen Regelungsstruktur auch Abgaswerte verbessert werden, nämlich indem eine Ladeluft-Größe, hier ein Ladeluftdruck, eingestellt wird. Dazu kann generell gemäß einer in 2 gezeigten ersten Stellgröße 195 für ein ladeluftstellendes Stellglied 197, die in 1 die Stellung uWG des Bypassventils 371 bezeichnet, eingestellt werden.
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Es ist zu verstehen, dass die vorliegend beschriebene Ausführung einer Abgasrückführung mit einem AGR Ventil 361 und einem Bypassventil 371 nur eine von einigen verschiedenen Möglichkeiten ist, um eine AGR-Rückführung 360 und eine Turbinen-Bypassführung 370 mit einem ersten und zweiten Stellglied 197, 198 zu realisieren. Insbesondere steht das Bypassventil 371 stellvertretend für andere Ladedruckstellglieder, wie ein Stellglied für eine variable Turbinengeometrie, ein Stellglied für einen Wärmetauscher, ein Stellglied für ein Ablass- oder Umluftventil oder Überdruckventil oder dergleichen. Auch steht das Abgasrückführventil 361 stellvertretend für andere Abgasrückführstellglieder wie beispielsweise eine Abgasrückführklappe oder dergleichen. Grundsätzlich schließt das im allgemeinen Teil der Anmeldung beschriebene Konzept aufgrund der vorliegend beispielhaft beschriebenen Brennkraftmaschine 1000 nicht aus, dass weitere Mittel zur Ladedruckregelung wie beispielsweise ein Kompressor oder der Beeinflussung der Eigenschaften von rückgeführten Abgas AGR wie beispielsweise weitere Kühler oder ein Kompressor oder Verdichter oder dergleichen vorgesehen ist. Das vorliegende Beispiel einer Aufladung 300 ist so ausgelegt, dass auf der Abgasseite des Motors 200, also in der Abgasführung 340 ein ausreichend positives Spülgefälle vorliegt, das die selbständige Rückführung von Abgas AGR von der Abgasseite auf die Ladeluftseite ermöglicht. Die Aufladeregelung 100 kann auch für andere als die hier angesprochenen Aufgaben der der Drehzahl- oder Drehmomentenbasierten Leistungsregelung und Abgasregelung allein oder in Zusammenarbeit mit dem Motorsteuergerät ECU ausgebildet sein.
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2 zeigt im Einzelnen die Aufladeregelung 100, die in 1 als Modul in einem Motorsteuergerät ECU integriert ist. In einer Abwandlung kann diese auch ganz oder teilweise als separate Einrichtung oder Modul in einer Peripherie des Motorsteuergeräts ECU realisiert sein kann. Die Aufladeregelung 100 gibt eine erste Stellgröße 195 vor, die ein ladeluftstellendes Stellglied 197 – nämlich vorliegend die Stellung uWG des Bypassventils 371 – regelt und die Aufladeregelung gibt eine zweite Stellgröße 196 vor, die ein abgasstellendes Stellglied 198 – nämlich vorliegend die Stellung uAGR des AGR-Ventils 361 – regelt. Als Regelgröße nimmt die Aufladeregelung einen Zylinder-Eingangsdruck p5 ladeluftseitig vor einem Zylinder und einen Zylinder-Ausgangsdruck p6 abgasseitig nach einem Zylinder auf; hier über reale Sensoren eines ersten und zweiten Drucksensors 183, 184. Der Zylinder-Eingangsdruck p5 bzw. der Zylinder-Ausgangsdruck p6 kann, z.B. in der Aufladungsleitung 332 oder dem Ladeluftkrümmer 201 bzw. der Abgasleitung 343 oder dem Abgaskrümmer 202 aufgenommen sein. Der Zylinder-Eingangsdruck p5 bzw. der Zylinder-Ausgangsdruck p6 kann auch eine Anzahl von zylinderspezifischen Zylinder-Eingangsdrücken p5i, i = 1...n – hier n = 4 – ladeluftseitig vor einem Zylinder 203, 204, 205, 206 bzw. Zylinder-Ausgangsdrücken p6i, i = 1...n – hier n = 4 – in einem Arm des Abgaskrümmers 202 abgasseitig nach einem Zylinder 203, 204, 205, 206 aufweisen. Als Regelgröße nimmt die Aufladeregelung auch einen AGR- Massen- und/oder Volumenstrom mpAGR und eine relative Abgasmenge x5 = mABGAS/(mABGAS + mLUFT) auf; hier über virtuelle Sensoren eines ersten und zweiten Schätzers 181, 182. Unabhängig davon können der Aufladeregelung 100 weitere Regelgrößen zugeführt werden, die beispielsweise über die Messsensorik 301 zur Verfügung stehen. Es hat sich gezeigt, dass für eine effiziente und stabile Regelung die vorgenannten Ladeluft-Größen und Abgas-Größen besonders relevant sind. Die vorliegende Ausführungsform sieht in Anbetracht der Komplexität und Nichtlinearität der Strömungsdynamik von Ladeluft LL und Abgas AG in der Aufladung 300 und dem Motor 200 dem Konzept der Erfindung folgend einen ganzheitlichen Regelansatz mittels eines Zustandsreglers vor, der zudem in einer kaskadierten Regleranordnung der Aufladeregelung 100 als Nachfolgeregler 113 zu Führungsreglern 111, 112 zu realisieren ist. Insgesamt zeigt sich, dass dieser Ansatz trotz der komplexen Nichtlinearität des Systems zielführend zur Bildung einer wirksamen Aufladeregelung und breitbandig auslegbar ist, insbesondere mit Vorteil gegenüber einer Verarbeitung der vorgenannten Ladeluft-Größen und Abgas-Größen in einem entkoppelten oder einfach gekoppelten Regelschema von Einkanal-Reglern.
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Bezugnehmend auf 2 weist die Aufladeregelung 100 im Einzelnen eine kaskadierte Anordnung 110 von Reglern auf, nämlich einen ersten äußeren Führungsregler 111 und einen zweiten äußeren Führungsregler 112 sowie einen kaskadierten inneren Nachfolgeregler 113 in Form eines Zustandsregelers. Der erste und der zweite äußere Führungsregler 111, 112 ist jeweils als ein Einkanalregler (SISO) und jeweils in Form eines PI-Reglers gebildet. Der innere kaskadierte Nachfolgeregler 113 ist als ein mehrdimensionaler Regler (MIMO) in Form eines Zustandsreglers gebildet, in dem ein mehrdimensionales Auflade-Modell zur theoretischen Beschreibung der Aufladung 300 hinterlegt ist. Das Auflade-Modell MOD berücksichtigt hier ganzheitlich das System Aufladung 300 mit der Ladeluftführung 330, der Abgasführung 340 und der Abasrückführung sowie die Anbindung der Aufladung 300 an den Motor 200 sowie die strömungstechnischen physikalischen Zusammenhänge der System; vorliegend wird wenigstens eine mehrdimensionale ladeluftbasierende Größe sowie eine mehrdimensionale abgasbasierende Größe als Regelgröße für eine effiziente und stabile Regelkreisbildung wichtig. Es wird im Rahmen des hinterlegten Modells MOD unter Berücksichtigung physikalischer Werte und Erfahrungswerte eine Stellung uWG, uAGR des vorgenannten ersten und zweiten Stellglieder 197, 198 regelnd vorgegeben und über Stellsignalleitungen 101, 102 an das erste Stellglied 197, hier in Form des Bypass-Ventils 371, und das zweite Stellglied 198, hier in Form des Abgasrückführventils 361, übermittelt.
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Die kaskadierte Anordnung 110 von Reglern 111, 112, 113 ist ein Teil eines äußeren Regelkreises 140 und eines inneren Regelkreises 150, die in geeigneter Weise an einen Sensorbus 130 angekoppelt sind. Der Sensorbus 130 überträgt neben Messdaten einer ausgeprägten Messsensorik 301 des Motors 200 und der Aufladung 300 Messwerte basierend auf einer Ladeluft-Größe, insbesondere hier eines Zylinder-Eingangsdrucks p5 ladeluftseitig vor einem Zylinder (Ladeluftdruck p5) sowie eines Zylinder-Ausgangsdrucks p6 abgasseitig nach einem Zylinder (Abgasdruck p6). Außerdem werden über den Sensorbus 130 geeignete Messwerte basierend auf einer Abgasgröße übermittelt, nämlich vorliegend der rückgeführte Abgas-Massen- und/oder -Volumenstrom mpAGR als auch einen Verhältniswert x5 eines Abgasanteils. Dieser kann durch eine Ermittlung eines Lambda- und/oder NOx-Wertes unterstützt sein und bildet grundsätzlich einen relativen Wert eines Abgasanteils zu einem Luftanteil ab, nämlich hier x5 = mABGAS/(mABGAS + mLuft).
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Die Aufladeregelung 100 weist eine Regleranordnung eines ersten und zweiten äußeren Führungsreglers 111, 112 und eines inneren kaskadierten Nachfolgereglers 113 auf. Die Führungsregler 111, 112 und der kaskadierte Nachfolgeregler 113 sind über zwei eindimensionale ungekoppelte äußere Regelkreise 140 mit einem ersten äußeren Kaskadenarm 140.1 und einem zweiten äußeren Kaskadenarm 140.2 – nämlich Regelkreise x5-RK und p5-RK für den Zylinder-Eingangsdruck p5 und für den Verhältniswert x5 eines Abgasanteils als Basis für einen ersten äußeren Führungswert 191 und einen zweiten äußeren Führungswert 192 – und über einen zweidimensionalen inneren Regelkreis 150 mit einem ersten inneren Kaskadenarm 150.1 und einem zweiten inneren Kaskadenarm 150.2 – nämlich vorliegend mpAGR-RK und p6-RK für den AGR-Massen- und/oder Volumenstrom mpAGR und den Zylinder-Ausgangsdruck p6 – der Aufladereglung 100 gekoppelt. Die Aufladeregelung 100 ist an die Aufladung 300 angebunden; insbesondere mittels der ersten und zweiten Stellgrößen 195, 196 – hier die ladeluftstellende erste Stellgröße uWG und die abgasstellende zweite Stellgröße uAGR – zur Stellung der Stellglieder 197, 198. Grundsätzlich lässt sich dieses Schema auch zylinderspezifisch umsetzen, d.h. für p5i und p6j bzw. x5k und mpAGRl mit k, l = 1...n.
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Im Einzelnen läuft eine Regelschleife der Aufladeregelung 100 wie folgt ab. Einer erste Eingangsschnittstelle 171 werden SOLL-Werte p5SOLL aus einem Kennlinienfeld KL1 und IST-Werte p5IST eines ersten Drucksensors 183 vor einem Zylinder zugeführt. p5 bezeichnet dabei den Wert eines Zylinder-Eingangsdrucks auf einer Ladeluftseite des Motors 200. Die erste Eingangsschnittstelle 171 zur Regleranordnung bildet die Differenz als SOLL/IST-Abweichung dp5 aus dem ersten äußeren IST-Wert p5IST des Zylinder-Eingangsdruck p5 und dem ersten äußeren SOLL-Wert p5SOLL des Kennlinienfeldes KL1 und gibt diese SOLL/IST-Abweichung dp5 als ersten äußeren Führungswert 191, nämlich als mit dy1 bezeichnete erste Eingangsgröße, an den äußeren ersten Führungsregler 111 weiter. Ganz ähnlich wird aus einem zweiten Kennlinienfeld KL2 ein Verhältniswert x5-SOLL als zweiter äußerer SOLL-Wert gewonnen und dieser sowie ein zweiter äußerer IST-Wert x5IST des Verhältniswerts x5 der zweiten Eingangsschnittstelle 172 der Regleranordnung zugeführt. x5 bezeichnet dabei den Quotienten aus einem Abgasanteil mABGAS zu einem Gesamtanteil von Luft und Abgas mABGAS + mLUFT. Die zweite Eingangsschnittstelle 172 ermittelt die Differenz als SOLL/IST-Abweichung dx5 aus dem zweiten äußeren IST-Wert x5IST und dem zweiten äußeren SOLL-Wert x5-SOLL und führt diese als zweiten äußeren Führungswert 192, nämlich als mit dy2 bezeichnete zweite Eingangsgröße, an den äußeren zweiten Führungsregler 112 weiter.
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Der Quotient des Verhältniswertes x5 wird aus einem ersten äußeren Schätzer 181 gewonnen, der den Verhältniswert x5 aus geeigneten Messwerten der Messensorik 301, wie einer Lambda- und/oder NOx-Sensorik, ermittelt. Ebenso wird der Zylinder-Eingangsdruck p5 vor einem Zylinder durch einen ersten Drucksensor 183 ladeluftseitig am Motor 200 ermittelt. Ebenso wird ein Druck nach einem Zylinder durch einen Sensor 184 an dem Motor 200 ermittelt. Auch kann ein rückgeführter Abgasmassenstrom mpAGR als Schätzwert von einem zweiten Schätzer 182 aus geeigneten Messwerten der Messsensorik 301 gewonnen werden, die über den Sensorbus 130 zur Verfügung stehen. Einer dritten Eingangsschnittstelle 173 zur Regleranordnung kann dann ein IST-Druck pP6IST eines Zylinder-Ausgangsdrucks abgasseitig nach einem Zylinder zur Verfügung gestellt werden. Ebenso kann einer vierten Schnittstelle 174 zur Regleranordnung ein IST-Wert mpAGRIST zur Verfügung gestellt werden.
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Aus einer ersten SOLL/IST-Abweichung dp5 (von p5SOLL und p5IST) als Eingangswert dy1 an der ersten Eingangsschnittstelle 171 wird ein erster Ausgangswert u als Absolutwert ermittelt. Der erste Führungsregler 111 ist hier in Form eines SingleInput-SingleOutput-Regler (Einkanalregler, SISO1) gebildet. Der durch den ersten Führungsregler 111 ermittelte erste Ausgangswert u1 dient hier als SOLL-Wert p6SOLL für die dritte Eingangsschnittstelle 173 vor dem Nachfolgeregler 113.
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Die zweite SOLL/IST-Abweichung dx5 zwischen x5SOLL und x5IST dient als zweiter Eingangswert dy2 zum zweiten Führungsregler 112, der hier in Form eines SingleInput-SingleOutput-Regler (Einkanalregler, SISO2) gebildet ist und einen zweiten Ausgangswert u2 berechnet; letzterer dient als SOLL-Wert pAGRSOLL für die vierte Eingangsschnittstelle 174 vor dem Nachfolgeregler 113.
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Der SOLL-Wert p6SOLL wird zusammen mit dem vorgenannten IST-Wert p6IST zur Bestimmung einer dritten SOLL/IST-Abweichung dp6 als erster innerer Führungswert 193 der dritten Eingangsschnittstelle 173 zum zweiten inneren kaskadierten Nachfolgeregler 113 zur Verfügung gestellt. Die zweite SOLL/IST-Abweichung dmpPAGR wird an der vierten Eingangsschnittstelle 174 als Differenz des vierten SOLL-Wertes mpAGRSOLL und des IST-Wertes mpAGRIST ermittelt und dem zweiten inneren kaskadierten Nachfolgeregler 113 als zweiter innerer Führungswert 194 zur Verfügung gestellt.
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Die Abweichungen dP6 und dmpAGR stehen damit als zweidimensionale Zustandsgröße dy31, dy32 eingangsseitig am kaskadierten inneren Nachfolgeregler 113 zur Verfügung. Der somit als zweidimensionale Zustandsregler – allgemein MIMO Regler – ausgelegte Mehrkanalregler setzt die Abweichungen dp6, dmpAGR, d. h. Zustandsgröße dy31, dy32 zu den Stellgrößen u31, u32, d. h. uWG, uAGR um, und gibt diese als Stellgrößen aus.
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Insgesamt ist die Aufladeregelung 100 als kaskadiertes System von drei Regelkreisen, nämlich einem System von ungekoppelten äußeren Regelkreisen 140, hier einem ersten äußeren Regelkreis p5-RK, einem zweiten äußeren Regelkreis x5-RK, und einem dritten inneren mehrdimensionalen Regelkreis 150 gebildet. Die Dimension des dritten inneren Regelkreises 150 stimmt mit der Anzahl der ungekoppelten äußeren Regelkreise 140 überein; Die Regleranordnung ist somit mehrdimensional und koppelt einen ersten inneren Regelkreis p6-RK und einen zweiten inneren Regelkreis mpAGR-RK über den Zustandsregler 113. Kopplung ist in diesem Sinne jedoch nicht als bloße lineare oder sonstige Kopplung im Sinne einer Umrechnung zu verstehen, sondern vielmehr wird auf Grundlage des Modells MOD eine Simulation, z. B. mittels eines Beobachters, Schätzers oder mittels eines sonstigen den Zukunftshorizont simulierenden Simulators, das Verhalten der Aufladung 300 vorausberechnet. Dabei können feststehende oder sich entwickelnde Horizonte Berücksichtigung finden, je nach Auslegung des Modells MOD. Die Regleranordnung berücksichtigt bei der hier beschriebenen Ausführungsform, dass die Führungsgrößen dp6 und dmAGR für den kaskadierten Nachfolgeregler 113 in sinnvoller Weise vorbestimmt sein sollten. Der erste und zweite Führungsregler 111, 112 sind dementsprechend ausgelegt, dem kaskadierten Nachfolgeregler 113 bereits vorbereitete Führungsgrößen zur Verfügung zu stellen. Dies ist der zielgenauen Bestimmung der Stellgrößen 195, 196 und der Modellauslegung des Modells MOD zuträglich. Mit dem vorliegenden Konzept ist eine weit und variabel auslegbare Regelung vorgegeben, die im Einzelfall dennoch stabil ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1000
- Diesel-Brennkraftmaschine
- 100
- Aufladeregelung
- 101, 102
- Stellsignalleitungen
- 110
- kaskadierte Anordnung
- 111, 112
- erster und zweiter Führungsregler
- 113
- Nachfolgeregler
- 130
- Sensorbus
- 140, 150
- Regelkreis
- 140.1, 140.2, 150.1, 150.2
- innere und äußere Kaskadenarme
- 171
- erste Eingangsschnittstelle
- 172
- zweite Eingangsschnittstelle
- 173
- dritte Eingangsschnittstelle
- 174
- vierte Eingangsschnittstelle
- 181, 182
- erster, zweiter Schätzer
- 183, 184
- erster, zweiter Drucksensor
- 191
- erster äußerer Führungswert
- 192
- zweiter äußerer Führungswert
- 193
- erster innerer Führungswert
- 194
- zweiter innerer Führungswert
- 195
- erste ladeluftstellende Stellgröße
- 196
- zweite ladeluftstellende Stellgröße
- 197
- ladeluftstellendes Stellglied
- 198
- abgasstellendes Stellglied
- 200
- Motor
- 201
- Ladeluftkrümmer
- 202
- Abgaskrümmer
- 210
- Common Rail Einspritzsystem
- 211
- Rail
- 212
- Kraftstoffspeicher
- 213
- Förderpumpe
- 214
- Drossel
- 203, 204, 205 und 206
- Zylinder
- 215
- Hochdruckpumpe
- 216
- Injektor
- 217
- Einzelspeicher
- 221, 222
- Sensorleitung
- 300
- Aufladung
- 301
- Messsensorik
- 310
- Niederdruckstufe
- 311
- Niederdruckverdichter
- 312
- Niederdruckturbine
- 313
- erste Welle
- 321
- Hochdruckverdichter
- 320
- Hochdruckstufe
- 322
- Hochdruckturbine
- 323
- zweite Welle
- 330
- Ladeluftführung
- 331
- Drosselklappe
- 332
- Aufladungsleitung
- 333
- Ladeluftleitung
- 340
- Abgasführung
- 343
- Abgasleitung
- 350
- Wärmetauschersystems
- 351
- Niederdruckwärmetauscher
- 352
- Hochdruckkühler
- 360
- Abgasrückführung
- 361
- Abgasrückführventil
- 362
- Abgaskühler
- 363
- Abgasrückführleitung
- 370
- Turbinenbypass
- 371
- Bypassventil
- 373
- Bypassleitung
- AGR
- Rückgeführtes Abgas
- ECU
- Motorsteuergerät
- LL
- Ladeluft
- AG
- Abgas
- KL1, KL2
- Kennlinienfelder
- uWG
- Stellung Bypassventil 371
- uAGR
- Stellung Rückführventil 361
- x5
- Verhältniswert
- p5
- Zylinder-Eingangsdruck
- p6
- Zylinder-Ausgangsdruck
- mABGAS
- Anteil Abgas
- mpAGR
- rückgeführter Abgasvolumenstrom und/oder Abgasmassenstrom
- dmpAGR
- SOLL/IST-Abweichung mpAGR
- nLUFT
- Anteil Luft
- dp5
- SOLL/IST-Abweichung p5
- dp6
- SOLL/IST-Abweichung p6
- SISO
- Einkanal-Regler
- dy1, dy2, dy31, dy32
- Eingangsgrößen
- MIMO
- Mehrkanal-Regler
- u1, u2, u31, u32
- Ausgangsgrößen
- p6-RK, mpAGR-RK
- innerer Regelkreis
- p5-RK, x5-RK
- äußerer Regelkreis
- MOD
- Auflademodell
