DE102015202180A1 - Verfahren zur Regelung - Google Patents

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Abstract

Es werden ein Verfahren zum Regeln einer technischen Größe und eine entsprechende Regelung vorgestellt. Dabei liegt im Rahmen der Regelung eine berechnete applizierte Sollgröße einer Regelgröße in einem zeitlichen Bereich bis zu einem ersten möglichen Wert. Es wird zu einem zweiten Zeitpunkt, der vor dem ersten Zeitpunkt liegt, ein prädizierter Sollwert für die Regelgröße dynamisch ermittelt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, und eine Regelung zur Durchführung des Verfahrens. Das Verfahren wird insbesondere zur Regelung der Luftmasse bei der Abgasrückführung eingesetzt.
  • Stand der Technik
  • Mit Abgasrückführung (AGR) wird in Verbrennungsmotoren, die bspw. in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, ein Verfahren bezeichnet, das zur Verringerung der Schadstoffemissionen eingesetzt wird. Bei diesem wird ein Teil der Abgase zum Ansaugrohr des Verbrennungsmotors zurückgeführt und dadurch die Verbrennungshöchsttemperatur gemindert und insbesondere bei Dieselmotoren die Menge der Stickoxide verringert. Bei Ottomotoren wird die Abgasrückführung vornehmlich zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs eingesetzt.
  • Die Menge der zurückgeführten Abgase und die Menge der einströmenden Frischluft und damit die Zusammensetzung von Frischluft und Abgas bei der Verbrennung im Zylinder werden im Rahmen einer Abgasrückführungsregelung eingestellt. Als Regelgröße wird die Frischluftmasse bezeichnet, zu der innerhalb der Regelvorrichtung noch der dazu passende Abgasanteil festgelegt wird. Stellglieder bei der Regelung der Luftmasse können, je nach Ausführung, eine Drosselklappe, ein Hochdruck-(HD-)AGR-Ventil, ein Niederdruck-(ND-)AGR-Ventil in Kombination mit einer Abgasklappe oder eine Niederdruck-(ND-)Frischluftdrossel oder ein ND-Drei-Wege-Ventil sein.
  • Bei der Abgasrückführungsregelung für Dieselmotoren ist es je nach Fahrverhalten, Betriebspunkt und Systemeinflüssen notwendig, das Stellglied AGR-Ventil und/oder ND-AGR-Ventil komplett zu schließen und das Stellglied Drosselklappe (Abgasklappe/ND-Frischluftsrossel) zu öffnen, um die geforderte Luftmasse einzustellen. In diesen Fällen ist die applizierte Soll-Luftmasse größer als die physikalisch maximal erreichbare Luftmasse. Teilweise wird auch die Soll-Luftmasse auf einen physikalisch nicht erreichbaren hohen Wert appliziert, um das Einstellen der maximal möglichen Luftmasse sicherzustellen. Dies ist z. B. bei Beschleunigungen des Fahrzeugs mit höherer Last, bei dem keine Abgasrückführung aktiv sein soll, der Fall.
  • In diesem Fall ändert sich die aktuelle Luftmasse mit der maximal möglichen Luftmasse. Sobald diese maximal mögliche Luftmasse die applizierte Soll-Luftmasse wieder überschreitet, liegt ein gültiger Sollwert für die Regelung an, die erst dann versucht, den Sollwert einzuregeln. Aufgrund der Systemträgheit, die u. a. durch Volumenspeichereffekte verursacht ist oder wenn der Steller durch Haftreibung nur langsam aus dem Ventilsitz bzw. Anschlag gelöst werden kann, tritt auch mit einem perfekt eingestellten Regler ein Luftmassenüberschwinger auf. Dieser verursacht einen Anstieg in den NOx-Emissionen, was sich negativ hinsichtlich der Emissionsgesetzgebung auswirkt. Diese Überschwinger sind nicht vermeidbar, da der Regler erst reagieren kann, wenn der Sollwert in den physikalisch stellbaren Bereich absinkt.
  • Über eine Applikation mit kennfeldbasierten Strukturen, d. h. eine Nutzung aktueller Sollwertstrukturen, ist der Überschwinger nicht vermeidbar, da die physikalische Begrenzung der maximal möglichen Luftmasse dynamisch durch Systemgrößen wie Ladedruck, Temperatur, Luftaufwand des Motors, Systemänderungen über Lebenszeit und das Fahrerverhalten beeinflusst wird und nicht exakt determinierbar ist. Die applizierten Sollwerte sind dagegen stationär herausgefahren.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Regelung nach Anspruch 10 vorgestellt.
  • Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
  • Das vorgestellte Verfahren dient zur Regelung einer technischen Größe, insbesondere einer technischen Größe in einem Kraftfahrzeug. Das Verfahren kann immer dann angewandt werden, wenn eine im Rahmen der Regelung berechnete applizierte Sollgröße der Regelgröße in einem zeitlichen Bereich bis zu einem ersten Zeitpunkt über einem physikalisch möglichen Wert liegt, so dass in diesem zeitlichen Bereich eine Begrenzung der Stellgröße vorgenommen wird. Es ist nunmehr vorgesehen, die Stellgrößenbegrenzung vorzeitig zu einem zweiten Zeitpunkt, der vor dem ersten Zeitpunkt liegt, zu verlassen und einen prädizierten Sollwert für die Regelgröße dynamisch zu ermitteln.
  • Das Verfahren wird im Folgenden in Verbindung mit der Luftmassenregelung bei einer Abgasrückführung beschrieben. Zu beachten ist jedoch, dass das vorgestellte Verfahren nicht auf diese Anwendung beschränkt ist, sondern in vielen anderen Bereichen ebenfalls eingesetzt werden kann. So kann dieses auch zur Ladedruckregelung eingesetzt werden.
  • Das Verfahren ist grundsätzlich immer dann geeignet, wenn bei einer Regelung ein Sollwert berechnet bzw. vorgegeben wird, der physikalisch nicht möglich ist. Es bietet sich an, das Verfahren bei Regelungen einzusetzen, bei denen der Sollwertverlauf vorhersehbar ist. Vorhersehbar bedeutet bspw. dass eine Beschleunigungsphase immer ein Ende hat.
  • Immer dann, wenn ein berechneter Sollwert nicht physikalisch möglich ist, wird eine Stellgrößenbegrenzung vorgenommen, die einen maximalen oder minimalen Sollwert vorgibt. Es ist nunmehr vorgesehen, in dem zeitlichen Bereich, in dem sie Stellgrößenbegrenzung vorliegt, typischerweise kurz vor verlassen des Bereichs, diese Stellgrößenbegrenzung zu verlassen, einen prädizierten Sollwert für die Regelgröße zu berechnen und diesen in die Regelung einzugeben.
  • Auf diese Weise können nachteilige Auswirkungen einer Stellgrößenbegrenzung, wie bspw. ein Überschwingen, das in Verbindung mit den Figuren noch hierin erläutert wird, vermieden werden.
  • Das Verfahren ermöglicht in einer Ausführungsform eine Vorhersage bzw. Prädiktion eines korrigierten Luftmassensollwerts, der sich bereits um die von der Systemträgheit definierten Zeit von dem physikalisch maximalen Luftmassenwert und damit aus der Begrenzung löst, so dass der Regler vorzeitig aktiviert wird bzw. die Stellgrößenbegrenzung verlässt und als Konsequenz der Luftmassen-Ist-Wert auf dem ursprünglichen Sollwert ohne Überschwinger eingestellt wird.
  • Von besonderem Vorteil ist, dass NOx-Peaks vermieden werden können, was hilft, aktuelle und zukünftige gesetzliche Bestimmungen in Ländern basierend auf EU- und US-Standards einzuhalten. Das genannte Verhalten kommt häufig im OBD-Emissions-Zertifizierungszyklus (OBD: On-Board-Diagnose) vor und wir durch die geforderte höhere Dynamik in zukünftigen Zertifizierungszyklen wie WLTC oder RDE (Real Driving Emission) zunehmen und ist damit für die Reduktion der Stickoxid Emissionen notwendig.
  • Weiterhin ist durch die Vermeidung des Überschwingers ein nachfolgend besseres Einregelverhalten möglich, da nachfolgende Luftmassen-Unterschwinger vermieden werden können, weil die Reglerverstärkung nicht für Kompensation der sonst auftretenden großen Luftmassenüberschwinger erhöht werden muss.
  • Das vorgestellte Verfahren ist nicht auf die Regelung der Abgasrückführung beschränkt. Diese kann immer dann eingesetzt werden, wenn bei einer Regelung ein Sollwert vorgegeben wird, der physikalisch nicht möglich ist. So kann das Verfahren bspw. auch bei der Ladedruckregelung eingesetzt werden.
  • Die vorgestellte Regelung ist insbesondere zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens eingerichtet und sieht eine Adaption der Sollgröße der Regelgröße und daher eine Adaption der Führungsgröße vor.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Verbrennungsmotor mit Abgasrückführung.
  • 2 zeigt in einem Graphen das Verhalten einer Luftmassenregelung beim Verlassen der Stellgrößenbegrenzung.
  • 3 zeigt in einem Graphen die Berechnung eines prädizierten Sollwerts zum vorzeitigen Verlassen der Stellgrößenbegrenzung.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
  • 1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Verbrennungsmotor 10, der über eine Abgasrückführung 12 verfügt. Der Verbrennungsmotor 10, der in diesem Fall als Dieselmotor ausgebildet ist, verfügt über vier Zylinder 14, erhält eine Momentenanforderung mF 16 von dem Fahrer mittels Betätigen des Gaspedals und liefert eine Drehzahl n 20.
  • Die Abgasrückführung 12 umfasst bei dieser Ausführung eine Hochdruck-Abgasrückführung 30 (HD-AGR) und eine Niederdruck-Abgasrückführung 32 (ND-AGR). In der Hochdruck-Abgasrückführung 30 sind ein HD-Kühler 34 mit Bypass 36 und ein HD-AGR-Ventil 38 vorgesehen. Die Niederdruck-Abgasrückführung 32 umfasst einen ND-Kühler 40 mit Bypass 42 und ein ND-AGR-Ventil 44. Weiterhin zeigt die Darstellung einen Schalldämpfer 50, eine Abgasklappe 52, einen Dieselpartikelfilter 54, einen Katalysator 56 sowie einen Turbolader 58 mit einer Turbine 60 und einem Verdichter 62. Darüber hinaus zeigt die Figur eine Frischluftzuführung 70 mit einem Luftfilter 72, einem Frischluftmassenmesser 74, einer Frischluftdrossel 76 einem Ladeluftkühler 78 und einer Drosselklappe 80.
  • Das HD-AGR-Ventil 38, das ND-AGR-Ventil 44, die Abgasklappe 52 oder die Frischluftsrossel 76 und die Drosselklappe 80 sind die Stellglieder der Abgasrückführung 12 zur Luftmassenregelung.
  • Zu beachten ist, dass in der praktischen Anwendung typischerweise entweder eine Frischluftdrossel 76 oder eine Abgasklappe 52 verwendet wird.
  • In 2 ist der Zeitverlauf bei einer typischen Beschleunigungsphase mit maximal möglicher Luftmasse dargestellt, in deren Anschluss die applizierte Soll-Luftmasse die maximal mögliche Luftmasse unterschreitet. Die Darstellung zeigt den Verlauf der physikalisch maximal möglichen Luftmasse 100, den Verlauf der aktuellen Ist-Luftmasse 102, den Verlauf der applizierten Soll-Luftmasse aus der Sollwertbildung 104. Übersteigt der Verlauf der applizierten Soll-Luftmasse aus der Sollwertbildung 104 den Verlauf der physikalisch maximal möglichen Luftmasse 100, so kann dieser Wert nicht eingestellt werden. Daraus ergeben sich Bereiche eines für die Regelung physikalisch möglichen Luftmassensollwerts, die mit Bezugsziffer 108 bezeichnet sind.
  • Bei dieser Art der Regelung ergibt sich ein Überschwinger 110 der Ist-Luftmasse 102, da der Regler sich erst bei einem ersten Zeitpunkt 112 aus der Stellbegrenzung löst, nachdem die applizierte Soll-Luftmasse unter die maximal mögliche Luftmasse sinkt. Daher erfolgt bei dem vorgestellten Verfahren zu einem früheren, zweiten Zeitpunkt 114 die Berechnung eines Luftmassensollwerts, der kleiner als der maximal mögliche Sollwert ist, um den Regler bereits zum zweiten Zeitpunkt 114 zeitlich so zu aktivieren, dass der resultierende Istwert mit dem systemisch bedingten Überschwinger, der hier als gestrichelte Linie 115 dargestellt ist, nahe dem ursprünglich applizierten Sollwert verläuft. Der Verlauf dieses Luftmassensollwerts ist mit Bezugsziffer 116 bezeichnet.
  • Diese Lösung ist in 3 näher erläutert. Danach erfolgt die Berechnung eines Luftmassensollwertes, der kleiner als der maximal mögliche Sollwert ist, um den Regler zeitlich so zu aktivieren, dass der resultierende Istwert mit dem systemisch bedingten Überschwinger nahe dem ursprünglich applizierten Sollwert entlang läuft.
  • 3 zeigt eine mögliche Berechnung eines prädizierten Sollwerts zum vorzeitigen Verlassen der Stellgrößenbegrenzung. Die Darstellung zeigt in einem Graphen den Verlauf der applizierten Soll-Luftmasse 150, den Verlauf der physikalisch maximal möglichen Soll-Luftmasse 152 und den Verlauf der prädizierten Soll-Luftmasse 154.
  • Die Berechnung und Umschaltung auf einen prädizierten Luftmassensollwert erfolgt wie folgt:
    In einem ersten Schritt werden Freigabe-/Aktivierungsbedingungen aufgestellt, um ein zu zeitiges Lösen aus der maximalen Luft und damit eine zu geringer Luftmasse einhergehend mit Anstieg der Ruß-Emissionen zu vermeiden.
  • Einzuhalten ist, dass der Abstand delta_m 160 der applizierten Soll-Luftmasse 150 zur physikalisch maximal möglichen Luftmasse 152 kleiner als ein applizierbarer Grenzwert ist. Weiterhin liegt der Schnittpunkt einer ersten Tangente 162 der applizierten PT1-gefilterten Soll-Luftmasse mit einer zweiten Tangente 164 der PT1-gefilterten physikalisch gültigen Soll-Luftmasse innerhalb einer applizierbaren Zeitspanne delta_t 166. Außerdem ist die applizierte Soll-Luftmasse größer als die physikalisch maximal mögliche Luftmasse. Außerdem liegt ein minimaler Anstieg der physikalisch maximal möglichen Luftmasse vor.
  • In einem zweiten Schritt erfolgt die dynamische Berechnung des prädizierten Sollwerts. Wenn die zuvor genannten Freigabebedingung erfüllt sind, wird der Start-Werts der prädizierten Soll-Luftmasse (mDesPrädStrt = mDesDyn) und des aktuellen Zeitpunkts t_Strt 170 gespeichert. Es wird die prädizierte Soll-Luftmasse als Geradengleichung mDesPräd(t) = delta_m/t_Präd·(t – t_Strt) + mDesPrädStrt (1) aufgestellt, wobei der Anstieg aus der Differenz der Soll-Luft und physikalisch maximalen Luftmasse und dem Prädiktionshorizont t_Präd 174 gebildet wird.
  • Dabei ist:
    • mDesPrädStrt:
    Startwert der Geradengleichung
    mDesDyn:
    physikalisch mögliche Soll-Luftmasse zum Zeitpunkt t_Strt 170
  • In einem dritten Schritt erfolgt die Rückschaltung auf den applizierten Sollwert. Dies erfolgt, sobald die Zeitdauer den applizierbaren Prädiktionshorizont überschreitet, der prädizierte Sollwert den applizierten Sollwert überschreitet oder eine der ersten beiden unter "Freigabebedingungen" genannten Bedingungen wahlweise nicht mehr erfüllt ist.
  • Bei der Applikation der Grenzwerte ist zu beachten:
    Die Größen delta_m und delta_t können als Funktion vom Gradient der maximalen Luft und damit abhängig von zu erwartenden Überschwingern appliziert werden. Weitere Einflussfaktoren können als Korrekturen, z. B. als Kennlinie bzw. Kennfeld, berücksichtigt werden.
  • Der prädizierte Sollwert mDes_Präd kann verschiedene Formungen annehmen, z. B. wie vorstehend als Geradengleichung, oder als PT1- oder PT2-gefilterter Wert des Schnittpunkts der beiden Tangenten.
  • Bei dem Verfahren sind eine Reihe von Alternativen denkbar:
    So ist die Nutzung grundsätzlich unabhängig von der Anzahl der Stellglieder, z. B. insbesondere auch für ND-AGR-Systeme, aber auch für alle Regelungen in anderen Systemen verwendbar, z. B. Ladedruck-Regelung oder Systeme außerhalb des Automotive-Bereichs, in denen der Sollwert größer als der physikalisch mögliche Sollwert appliziert werden kann und damit sich die Stellgröße in der Stellgrößenbegrenzung befindet und das System durch dessen Trägheit den Sollwert überschreiten kann,
  • Die Sollwert-Tangenten können basierend auf anderen mit der Luftmasse korrelierten Systemgrößen, wie bspw. Motordrehzahl, Ladedruck und Abgastemperatur, berechnet oder korrigiert werden.
  • Der prädizierte Sollwert kann nicht nur als Gerade, sondern auch als PT1 oder PT2 geformt werden, um das reale physikalische Verhalten exakter nachzubilden.
  • Das vorgestellte Verfahren hat den Vorteil, dass durch Berücksichtigung der Systemträgheit ein NOx-Anstieg vermieden werden kann, was zum Einhalten aktueller und zukünftiger Abgas-Gesetzgebung wesentlich beiträgt. Dies wird dadurch erreicht, dass ein korrigierter Luftmassensollwert vorhergesehen werden kann, und zwar in der Art, dass die zu regelnde Luftmasse durch systembedingte Überschwinger auf dem ursprünglichen Sollwert eingestellt wird. Da dabei ein Eingriff in die Sollwertbildung vorgenommen wird, ist das Verfahren unabhängig von der Art der nachfolgenden Regelung bzw. Steuerung.
  • Das Verfahren ermöglicht eine freie Definition des Abstands, ab dem sich der für die Regelung genutzte Sollwert aus der Begrenzung lösen soll, und des Zeithorizonts für den prädizierten Sollwert, um ein zu zeitiges Lösen des für die Reglung genutzten Sollwertes zu verhindern. Zudem wird eine einfache Parametrisierung der Prädiktion bestehend aus Abstand, Gradient und Prädiktionshorizont vorgenommen, wie dies bspw. in 3 zu erkennen ist. Der zur Durchführung des Verfahrens erforderliche Speicherbedarf ist gering, da keine kennfeldbasierte Sollwertkorrektur vorgenommen wird.
  • Zu beachten ist, dass das vorgestellte Verfahren nicht nur auf Luftmassen-Sollwerte, die exakt auf die maximal mögliche Luftmasse-Regelgröße begrenzt werden, sondern auch auf physikalisch begrenzte Sollwerte abzüglich eines Offsets, so dass der begrenzte Sollwert kleiner als der physikalisch mögliche Wert ist, anwendbar ist. Damit ist der Steller nicht mehr in einer konstanten Begrenzung, sondern diese ist kontinuierlich festgelegt, bspw. durch die applizierte Mindest-AGR Rate.
  • Dabei ist zu berücksichtigen, dass es, obgleich der applizierte Luftmassensollwert größer als der maximal mögliche Wert ist, eine Mindest-AGR Rate gefordert wird, also immer „etwas“ Abgas rückgeführt werden soll. Das heißt, es wird der Regelung ein Sollwert vorgegeben, der um x % unterhalb der max. möglichen Regelgröße liegt. Auch wenn in diesem Fall der Steller nicht in einer konstanten Begrenzung/Stellgrößenbegrenzung liegt und damit der Regelung ein Sollwert kleiner als der maximal möglicher Sollwert vorgegeben wird, so kann trotzdem, solange der ursprünglich applizierte Sollwert größer als der maximal mögliche Sollwert abzüglich des Offsets ist, ein Umschalten auf einen prädizierten Sollwert, der dann natürlich vom maximal möglichen Sollwert abzüglich des Abstands losläuft, von Vorteil sein, um den durch Systemträgheit, bspw. durch Volumenspeichereffekte, auftretenden Überschwinger zu reduzieren. In diesem Fall handelt es sich nicht mehr um ein vorzeitiges Verlassen der Stellerbegrenzung, sondern um ein vorzeitiges Umschalten des mit einem Abstand behafteten physikalisch maximalen Sollwerts in Richtung des zukünftig zu erwarteten applizierten Sollwert.

Claims (11)

  1. Verfahren zur Regelung einer technischen Größe, wobei ein im Rahmen der Regelung berechneter applizierter Sollwert (104, 150) einer Regelgröße in einem zeitlichen Bereich bis zu einem ersten Zeitpunkt (112) über einem physikalisch möglichen Wert (100, 152) liegt, wobei zu einem zweiten Zeitpunkt (114), der vor dem ersten Zeitpunkt (112) liegt, ein prädizierter Sollwert (154) für die Regelgröße dynamisch ermittelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem in dem zeitlichen Bereich bis zu dem ersten Zeitpunkt (112) eine Begrenzung der Stellgröße stattfindet und die Stellgrößenbegrenzung vorzeitig zu dem zweiten Zeitpunkt (114) verlassen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem Freigabebedingungen überprüft werden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der prädizierte Sollwert (154) mit einer Geradengleichung ermittelt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, das zur Regelung der Luftmasse bei einer Abgasrückführung (12) eingesetzt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, das bei einer Abgasrückführung mit Hochdruck-Abgasrückführung (30) und Niederdruck-Abgasrückführung (32) eingesetzt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, das zur Ladedruckregelung eingesetzt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem auf den applizierten Sollwert (104, 150) zurückgeschaltet wird, wenn der prädizierte Sollwert (154) den applizierten Sollwert (104, 150) überschreitet.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem auf den applizierten Sollwert (104, 150) zurückgeschaltet wird, wenn wenigstens eine der Freigabebedingungen nicht mehr erfüllt ist.
  10. Regelung zum Regeln einer technischen Größe, bei der eine Adaption der Sollgröße der Regelgröße vorgenommen wird, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei ein im Rahmen der Regelung berechneter applizierter Sollwert (104, 150) einer Regelgröße in einem zeitlichen Bereich bis zu einem ersten Zeitpunkt (112) über einem physikalisch möglichen Wert (100, 152) liegt, und wobei die Regelung dazu eingerichtet ist, zu einem zweiten Zeitpunkt (114), der vor dem ersten Zeitpunkt (112) liegt, einen prädizierten Sollwert (154) für die Regelgröße dynamisch zu ermitteln.
  11. Regelung nach Anspruch 10, bei der in dem zeitlichen Bereich bis zu dem ersten Zeitpunkt (112) eine Begrenzung der Stellgröße stattfindet, wobei die Regelung dazu eingerichtet ist, die Stellgrößenbegrenzung zu dem zweiten Zeitpunkt (114) vorzeitig zu verlassen.
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