DE102014218032B4

DE102014218032B4 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, Steuergerät und Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102014218032B4
Application number: DE102014218032.5A
Authority: DE
Inventors: Clemens Knippschild; Jan Egermann
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2014-09-09
Filing date: 2014-09-09
Publication date: 2023-03-02
Anticipated expiration: 2034-09-10
Also published as: DE102014218032A1

Abstract

1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (10) mit einer Lambdaregelung, umfassend die Schritte:- Generieren eines Lambda-Sollwerts (λsoll);- Erfassen eines Lambda-Istwerts (λist) stromabwärts einer Verbrennung (12);- Erzeugen einer vorläufigen Regelabweichung (eλ) basierend auf dem Lambda-Istwert (λist) und dem Lambda-Sollwert (λsoll);- Berechnen eines Lambda-Modellwerts (λModell*);- Erzeugen einer Regelabweichung (eλ*) basierend auf der vorläufigen Regelabweichung (eλ) und dem Lambda-Modellwert (λModell*); und- Umrechnen der Regelabweichung (eλ*) in einen Faktor für die Kraftstoffmenge, wobei der Faktor durch die negierte Regelabweichung (eλ*) geteilt durch den Lambda-Istwert (λist) berechnet wird,- wobei eine kennfeldbasierte Vorsteuerung (38) einen Basiswert für die Kraftstoffmenge (mKrvorsteuerung) vorgibt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, ein Steuergerät zum Betreiben einer Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine.
Bei einem Magerbetrieb mit einem Lambdawert größer eins und einem Fettbetrieb mit einem Lambdawert kleiner eins ist oftmals kein definierter Übergang für die Lambdaregelung gegeben. Dies führt zu unnötigen Regleranregungen. Gerade bei dem Übergang in eine oder aus einer Regenerationsphase beziehungsweise in einer Regenerationsphase stellen sich derartige Probleme. Regenerationsphasen werden in Abgasnachbehandlungssystemen wie zum Beispiel einem Stickoxidspeicherkatalysator bei einem Dieselmotor benötigt.
DE 102 34 849 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei dem die Einhaltung eines gewünschten Drehmomentes Priorität vor der Einhaltung eines vorgegebenen Lambdawertes hat.
DE 10 2004 038 389 A1 offenbart ein Verfahren zum Bestimmen der Luftzahl Lambda auf Basis einer Lambdamessung im Abgas, bei dem ein modellierter Lambdawert aus Einspritzmenge, angesaugter Luftmasse und gemessenem Lambdawert gebildet wird.
DE 102 44 539 A1 offenbart ein Verfahren zur global-adaptiven Korrektur von Einspritzmengen- und/oder Luftmassenmessfehlern, bei dem ein Korrekturfaktor für wenigstens ein Ansteuersignal der Brennkraftmaschine berechnet wird und der Korrekturfaktor mit einem rekursiven Lernverfahren in einem Polynom gespeichert wird.
DE 102 02 156 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einer Steuerung über Betriebspunkte zur Veränderung der Gemischvorsteuerung.
US 2009 / 0 112 441 A1 offenbart ein Verfahren zum Einstellen eines Luft-Kraftstoff-Gemisches für eine Verbrennungsmaschine. Es wird ein Smith-Predictor eingesetzt zur Schätzung von Totwertzeiten zur Verwendung für Reglerparameterberechnungen, um optimal auf Streckenprozesse mit langen Totzeiten reagieren zu können.
Aus der FR 2 749 613 A1 sind ein System und ein Verfahren zur Regelung der Anreicherung des Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Verbrennungsmotor bekannt. Das System umfasst eine Lambdasonde zur Ermittlung eines Kraftstoff-Luft-Verhältnisses in der Abgasanlage des Verbrennungsmotors, ein Einspritzsystem zur Einspritzung von Kraftstoff in die Brennräume des Verbrennungsmotors sowie ein Steuergerät zur Regelung der in die Brennräume eingespritzten Kraftstoffmenge.
Die DE 10 2008 009 033 B3 offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors. Dabei wird jeweils einem Temperaturbereich ein Lambdaadaptionswert zugeordnet und abhängig von zumindest einem Stellsignalanteil der Lambdaregelung angepasst. Die Anpassung des Regelparameters erfolgt, wenn eine jeweils vorgegebene Bedingung erfüllt ist, die voraussetzt, dass ein quasi stationärer Betriebszustand vorliegt und der jeweilige Temperaturbereich eingenommen wird.
Die DE 10 2006 020 675 A1 beschreibt ein Verfahren zur Regelung des Luftverhältnisses sowie des Moments eines Verbrennungsmotors, bei dem eine Kraftstoffzufuhr in die Brennräume des Verbrennungsmotors mit mindestens zwei Einspritzvorgängen pro Verbrennungszyklus erfolgt. Dabei weist das Verfahren eine Haupteinspritzung und eine Nacheinspritzung auf, wobei für die Momentenregelung die Haupteinspritzmenge und für die Lambdaregelung die Nacheinspritzmenge beeinflusst wird.
Aus der DE 10 2004 057 210 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung eines Einsatzzeitpunktes einer Tankentlüftung eines Verbrennungsmotors bekannt. Durch ein rechtzeitiges Einsetzen der Einspritzkorrektur kann eine Anreicherung des Verbrennungsluftverhältnisses durch den aus der Tankentlüftung eingetragenen Kraftstoff kompensiert werden.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Lambdaregelung für eine Brennkraftmaschine zu verbessern.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1, einem Steuergerät gemäß Anspruch 6 beziehungsweise einer Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 7.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einer Lambdaregelung umfasst:

- Generieren eines Lambda-Sollwerts;
- Erfassen eines Lambda-Istwerts stromabwärts einer Verbrennung;
- Erzeugen einer vorläufigen Regelabweichung basierend auf dem Lambda-Istwert und dem Lambda-Sollwert;
- Berechnen eines Lambda-Modellwerts;
- Erzeugen einer Regelabweichung basierend auf der vorläufigen Regelabweichung und dem Lambda-Modellwert; und
- Umrechnen der Regelabweichung in einen Faktor für die Kraftstoffmenge.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat durch die modellbasierte Berechnung der Regelabweichung den Vorteil, dass die Dynamik der Lambda-Regelung positiv beeinflusst wird. Mithilfe dieses Ansatzes können Störungen in der Strecke, die oft aus der Gaszustandseinstellung im Saugrohr stammen, frühzeitig erkannt und ausgeregelt werden. Des Weiteren können mit der Regelungsstruktur defizitäre Eigenschaften im Aufbau des Motorsystems, insbesondere Laufzeitphänomene im Abgastrakt, die sich negativ auf das Regelverhalten auswirken, in einfacher Weise kompensiert werden.
Aufgrund der Umrechnung der Regelabweichung in einen Faktor ergibt sich eine Linearisierung der Regelabweichung im aktuellen Betriebspunkt des Motors, was eine Basisverstärkung von 1 für die Reglerparameter ergibt. In den Reglerparametern muss also eine Umrechnung zwischen Lambda und der Kraftstoffmenge nicht mehr berücksichtigt werden, was die Parametrierung des Reglers erleichtert. Ein weiterer Vorteil ist die einfache Applikation der Reglerparameter ohne aufwendige Entwurfsverfahren. Dies ist möglich, weil die Streckenverstärkung bereits in der Umrechnung der Lambda-Regelabweichung in einen Faktor für die Kraftstoffmenge vorhanden ist.
Der Faktor für die Brennstoffmenge wird durch die negierte Regelabweichung geteilt durch den Lambda-Istwert berechnet. Dieser Faktor kann dann in einem nachfolgenden PID-Regler der Lambdaregelung verstärkt werden. Auf diese Weise kann der Faktor einfach und zuverlässig berechnet werden.
Die Brennkraftmaschine kann einen Dieselmotor aufweisen. Das beschriebene Verfahren ist insbesondere für einen Dieselmotor geeignet, da üblicherweise bei einem Dieselmotor die Änderung der Kraftstoffmenge im Magerbetrieb zu einer größeren Veränderung des Drehmoments führt.
Die Brennkraftmaschine kann eine aktive Abgasnachbehandlung mit einem Stickoxidspeicherkatalysator aufweisen. Dabei ist es für die Regeneration und die Desulfatisierung des Stickoxidspeicherkatalysators erforderlich, das Abgaslambda vom Magerbetrieb in den Fettbetrieb zu überführen. Im Fettbetrieb muss dann in allen Motorbetriebspunkten das Abgaslambda für eine definierte Zeit auf einem definierten Sollwert gehalten werden.
Durch eine kennfeldbasierte Vorsteuerung wird einen Basiswert für die Kraftstoffmenge vorgeben. Dieser Basiswert kann der Kraftstoffmenge entsprechen, die stationär bei der eingestellten Luftmasse im Saugrohr der Brennkraftmaschine erforderlich ist, um den erforderlichen Lambdawert im Abgas einzustellen.
Die Regelabweichung kann berechnet werden durch den Lambda-Sollwert minus den Lambda-Istwert plus einen laufzeitangepassten Lambda-Modellwert minus den Lambda-Modellwert. So wird ein Driften der Regelung aufgrund von Modellfehlern verhindert und korrigiert.
Der Lambda-Modellwert kann auf einem Sauerstoffgehalt der der Verbrennung zugeführten Luft, einem Sauerstoffgehalt im Zylinder nach der Verbrennung und dem stöchiometrischen Luftverhältnis basieren. Dies sind bereits im System bekannte Größen, welche eine einfache Berechnung des Lambda-Modellwerts beziehungsweise eine einfache Erzeugung eines entsprechenden Modells ermöglichen.
Das erfindungsgemäße Steuergerät zum Betreiben einer Brennkraftmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass es zur Ausführung des oben beschriebenen Verfahrens eingerichtet ist. Es gelten die gleichen Vorteile und Modifikationen wie oben beschrieben.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit einer Lambdaregelung umfasst ein Steuergerät wie zuvor beschrieben. Es gelten die gleichen Vorteile und Modifikationen.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit Lambdaregelung.

1 zeigt den hier für die Erläuterung der Erfindung relevanten Teil einer Brennkraftmaschine 10. Die Brennkraftmaschine 10 ist hier in diesem Ausführungsbeispiel ein Dieselmotor. Über ein Saugrohr 11 wird der Brennkraftmaschine 10 die benötigte Luftmasse zugeführt. In Brennraum beziehungsweise einer Verbrennung 12 wird das zugeführte Kraftstoff-Luft-Gemisch verbrannt und zunächst über eine Teil-Abgasstrecke 14 abgeführt. An die Teil-Abgasstrecke 14 schließt sich üblicherweise eine Abgasnachbehandlung 16 an, hier zum Beispiel in Form eines Stickoxidspeicherkatalysators. Eine Lambdasonde oder ein Lambdasensor 18 misst den Lambdawert beziehungsweise den Wert des Abgas-Lambdas. Hier wird der Lambdawert stromaufwärts der Abgasnachbehandlung 16 gemessen.
Der Lambda-Sensor 18 gibt den gemessenen Lambda-Istwert λ_Ist für das Abgas-Lambda an ein Steuergerät 20 aus. In dem Steuergerät 20 wird die Lambdaregelung für die Brennkraftmaschine 10 ausgeführt.
Dazu erzeugt ein Sollwertgenerator 22 zunächst einen Lambda-Sollwert λ_soll. Der Sollwertgenerator 22 erzeugt einen geführten Sollwert, der zu jedem Zeitpunkt einen definierten Wert hat und einen stetigen Verlauf aufweist. Das heißt, dass keine Sollwertunterbrechungen auftreten. Sollwertsprünge können jedoch auftreten. Der Lambda-Sollwert λ_soll wird einem Knoten oder Addierer 24 positiv zugeführt. Dem Addierer 24 wird weiterhin der Lambda-Istwert λ_Ist aus dem Lambda-Sensor 18 zugeführt. Der Addierer 24 subtrahiert dann den Lambda-Istwert λ_Ist von dem Lambda-Sollwert λ_soll. Daraus ergibt sich die vorläufige Regelabweichung e_λ.
In einem Modell 26 für das Verbrennungs-Lambda wird ein Lambda-Modellwert λ_Modell* berechnet. Aufgrund des physikalischen Aufbaus des Motors sitzt die Lambda-Sonde 18 weit nach dem Brennraum 12. Die Folge hiervon ist eine laufzeitbehaftete und verzögerte Istwerterfassung für das Abgaslambda. Eine aus diesem Istwert und dem Sollwert berechnete Regelabweichung für Lambda stellt somit nicht den zeitlich/aktuellen Regelzustand im Brennraum dar. Bei Führungsanregungen in Folge von großen Sollwertänderungen sowie nicht erfassbaren Störungen im Einspritz- und/oder Luftpfad wird die Regelabweichung dementsprechend auch einen großen Wert annehmen und den nachgeschalteten Regler stark anregen. Dies kann zu Schwingungen im Regelkreis führen und den erforderlichen Vorsteuerwert bei Sollwertänderungen negativ beeinflussen. Eine deutliche Verbesserung des Regelverhaltens schafft hier der modellbasierte Ansatz zur Berechnung der Regelabweichung. Mit diesem Ansatz wird die Regelabweichung auf Basis des schnellen Modell-Lambdas λ_Modell* nach der Verbrennung 12 berechnet.
Die Berechnung des Modellwerts λ_Modell* für das Verbrennungslambda im Brennraum 12 erfolgt nach folgender Gleichung. $L a m b d a_{M o d e l l} = \frac{S a u e r s t o f f g e h a l t_{L u f t} + \frac{S a u e r s t o f f g e h a l t_{Z y l i n d e r n a c h V e r b r e n n u n g}}{S t \ddot{o} c h i o m e t r i s c h e s L u f t v e r h \ddot{a} l t n i s}}{S a u e r s t o f f g e h a l t_{L u f t} - S a u e r s t o f f g e h a l t_{Z y l i n d e r n a c h V e r b r e n n u n g}}$
Wie aus der Formel ersichtlich, basiert die Berechnung auf einem Sauerstoffgehalt der der Verbrennung zugeführten Luft, einem Sauerstoffgehalt im Zylinder nach der Verbrennung und die im stöchiometrischen Luftverhältnis, was für Diesel 14,5 beträgt.
Der Sauerstoffgehalt im Zylinder nach der Verbrennung 12 wird gemäß folgender Formel berechnet. $\begin{array}{l} S a u e r s t o f f s g e h a l t_{Z y l i n d e r n a c h V e r b r e n n u n g} \\ = \frac{S a u e r s t o f f m a s s e_{Z y l i n d e r v o r V e r b r e n n u n g} - S a u e r s t o f f m a s s e_{Z y l i n d e r e r f o r d e r l i c h f \ddot{u} r V e r b r e n n u n g}}{G a s m a s s e_{Z y l i n d e r} + K r a f t s t o f f m a s s e_{Z y l i n d e r}} \end{array}$
Die Berechnung des Sauerstoffgehalts im Zylinder nach der Verbrennung basiert somit auf der Sauerstoffmasse im Zylinder vor der Verbrennung, auf der für die Verbrennung erforderlichen Sauerstoffmasse im Zylinder, der Gasmasse im Zylinder sowie der Kraftstoffmasse im Zylinder.
Der so erzeugte Lambda-Modellwert λ_Modell* wird einem Totzeit-Glied 28 zugeführt. In dem Totzeit-Glied 28 wird der Lambda-Modellwert λ_Modell* mit der bekannten Laufzeit im System beaufschlagt. So wird in dem Totzeit-Glied 28 ein laufzeitangepasster oder -korrigierter Lambda-Modellwert λ_Modell Tt* erzeugt. Der laufzeitangepasste Lambda-Modellwert λ_Modell Tt* wird dem Addierer 30 positiv zugeführt. Dort wird er mit der vorläufigen Regelabweichung e_Lambda addiert, um einen angepassten Lambda-Sollwert λ_Soll* zu erzeugen. Dieser angepasste Lambda-Sollwert λ_Soll* wird nun einem Knoten oder Addierer 32 zugeführt. Dem Addierer 32 wird weiterhin der Lambda-Modellwert λ_Modell* zugeführt. Der Addierer 32 subtrahiert dann den Lambda-Modellwert λ_Modell* von dem angepassten Lambda-Sollwert λ_Soll*.
Daraus ergibt sich die Regelabweichung e_λ*, welche einem nachgeordneten PI-Regler 34 zugeführt wird. Der PI-Regler 34 soll eine bestehende Regelabweichung e_λ* zu Null bringen und dazu die Stellgröße Einspritzmenge mKr_Regler anpassen. Der PI-Regler 34 besteht vorzugsweise aus einer Parallelstruktur aus P- und I-Gliedern. Die Summe der Ausgänge von P und I werden entsprechend den Stellgrößengrenzen begrenzt.
Optional besitzt der PI-Regler 34 eine Anti-Windup-Funktionalität, welche bei Stellgrößenbegrenzung ein unnötiges Arbeiten des I-Gliedes verhindern soll. In solchen Fällen wird der Ausgang des I-Gliedes auf den letzten gültigen Wert gehalten. Damit bei der Aktivierung des PI-Reglers 34 kein sprunghaftes Verhalten in der Stellgrößenänderung auftritt, wird optional eine Ein- und Ausschaltrampe der Regelabweichung verwendet.
Die Verstärkung der Regelabweichung e_λ* erfolgt im PI-Regler 34 durch einen relativen Ansatz. Dazu wird die Regelabweichung für Lambda e_λ in einen Faktor für die Kraftstoffmenge facKr_Regelabw. umgerechnet. Dieser Faktor entspricht relativ der Regelabweichung für Lambda. Der Faktor für die Kraftstoffmenge berechnet sich gemäß folgender Formel: ${facKr}_{Regelabw .} = \frac{- e_{λ}}{λ_{ist}}$
wobei $e_{λ} = λ_{soll F} - λ_{ist}$
ist.
Der Faktor für die Kraftstoffmenge facKr_Regelabw wird im PI-Regler entsprechend den Verstärkungsfaktoren für die P- und I-Anteile (K_P, K_I) zu facKr_Regler verstärkt und mit dem Basiswert mKr_Vorsteuerung zu einer Reglerkraftstoffmenge mKr_Regler verrechnet. Die Berechnung von mKr_Regler nach folgender Formel: ${mKr}_{Regler} = {facKr}_{Regler} \cdot {mKr}_{Vorsteuerung}$
wobei ${facKr}_{Regler} = f ({facKr}_{Regelabw .} {,K}_{P} {,K}_{I})$
ist.
Die Reglerkraftstoffmenge mKr_Regler wird einem Addierer 36 positiv zugeführt.
Eine kennfeldbasierte Vorsteuerung 38 liefert den Basiswert mKr_Vorsteuerung für die Kraftstoffmenge, der ebenfalls positiv dem Addierer 36 zugeführt wird. Die Vorsteuerung 38 errechnet den Basiswert für die Kraftstoffmenge mKr_Vorsteuerung aus der Drehzahl n_Mot und dem Moment M_Mot des Motors. In dem Addierer 36 wird der Vorsteuerwert oder der Basiswert mKr_Vorsteuerung mit der Stellgröße mKr_Regler des PI-Reglers 34 addiert. Diese Stellgröße mKr wird der Verbrennung 12 zugeführt, wodurch sich der Regelkreis schließt.
Der Wert mKr wird zudem an das Modell 26 zurückgekoppelt, wo er in dem Modell für das Verbrennungs-Lambda berücksichtigt wird.
Bezugszeichenliste

10: Brennkraftmaschine
11: Saugrohr
12: Verbrennung
14: Abgasstrecke
16: Abgasnachbehandlung
18: Lambda-Sensor
20: Steuergerät
22: Sollwertgenerator
24: Addierer
26: Modell
28: Totzeit-Glied
30: Addierer
32: Addierer
34: PI-Regler
36: Addierer
38: Vorsteuerung

Claims

1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (10) mit einer Lambdaregelung, umfassend die Schritte: - Generieren eines Lambda-Sollwerts (λ_soll); - Erfassen eines Lambda-Istwerts (λ_ist) stromabwärts einer Verbrennung (12); - Erzeugen einer vorläufigen Regelabweichung (e_λ) basierend auf dem Lambda-Istwert (λ_ist) und dem Lambda-Sollwert (λ_soll); - Berechnen eines Lambda-Modellwerts (λ_Modell*); - Erzeugen einer Regelabweichung (e_λ*) basierend auf der vorläufigen Regelabweichung (e_λ) und dem Lambda-Modellwert (λ_Modell*); und - Umrechnen der Regelabweichung (e_λ*) in einen Faktor für die Kraftstoffmenge, wobei der Faktor durch die negierte Regelabweichung (e_λ*) geteilt durch den Lambda-Istwert (λ_ist) berechnet wird, - wobei eine kennfeldbasierte Vorsteuerung (38) einen Basiswert für die Kraftstoffmenge (mKr_vorsteuerung) vorgibt.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (10) einen Dieselmotor aufweist.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (10) eine aktive Abgasnachbehandlung (16) mit einem Stickoxidspeicherkatalysator aufweist.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelabweichung (e_λ*) berechnet wird durch den Lambda-Sollwert (λ_soll) minus den Lambda-Istwert (λ_ist) plus einen laufzeitangepassten Lambda-Modellwert (λ_{Modell Tt}*) minus den Lambda-Modellwert (λ_Modell*).

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lambda-Modellwert (λ_Modell*) basiert auf einem Sauerstoffgehalt der der Verbrennung zugeführten Luft, einem Sauerstoffgehalt im Zylinder nach der Verbrennung und dem stöchiometrischen Luftverhältnis.

Steuergerät zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Ausführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist.

Brennkraftmaschine mit einer Lambdaregelung, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Steuergerät (20) nach Anspruch 6 umfasst.