DE10238573B4

DE10238573B4 - Verfahren zur Adaption von Regelparametern eines Ladedruckreglers bei einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader

Info

Publication number: DE10238573B4
Application number: DE10238573A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Ellmer; Bernhard Klingseis
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2002-08-22
Filing date: 2002-08-22
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2022-08-23
Also published as: FR2843781A1; DE10238573A1; FR2843781B1

Abstract

Verfahren zur Adaption von Regelparametern eines Ladedruckreglers bei einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem Abgasturbolader, mit den folgenden Verfahrensschritten:
– in einem ersten Verfahrensschritt wird der Betriebszustand (19, 21, 23) der Brennkraftmaschine erfasst, bei einem stationären Betriebszustand und bei Vorliegen bestimmter Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine wird bestimmt, ob eine Adaption (17) der Regelparameter erfolgen soll,
– wenn ja, wird in dem zweiten Verfahrensschritt abhängig von Betriebsgrößen eine von mehreren möglichen Formen (27, 29, 31) für eine Anregung einer ersten Stellgröße (15) der Regelstrecke ausgewählt und der Sollwert der angeregten ersten Stellgröße bestimmt (42, 44, 46),
– in einem dritten Verfahrensschritt wird zu dem Sollwert der angeregten ersten Stellgröße ein Sollwert (68) einer zweiten Stellgröße berechnet derart, dass ein von der Brennkraftmaschine abgegebenes Moment konstant bleibt,
– in einem vierten Schritt werden aus den Istwerten für die erste Stellgröße, die sich nach der Anregung einstellen, neue Regelparameter für die...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Adaption von Regelparametern eines Ladedruckreglers bei einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader.
Bei Brennkraftmaschinen mit einem Abgasturbolader ist es bekannt, einen Ladedruckregler einzusetzen. Je nach Aufbau des Abgasturboladers kann der Ladedruckregler über unterschiedliche Steller den Ladedruck regeln. Beispielsweise ist es bekannt, parallel zur Turbine des Abgasturboladers eine Umgehungsleitung vorzusehen, die über ein sogenanntes Wastegate unterschiedlich weit geöffnet werden kann. Hierdurch wird ein unterschiedlich großer Teil des Massenstroms aus der Brennkraftmaschine an der Turbine vorbeigeleitet, so dass der Verdichter des Abgasturboladers unterschiedlich stark angetrieben wird. In alternativen Ausgestaltungen kann auch ein Abgasturbolader mit einer Turbine eingesetzt werden, die eine variable Turbinengeometrie besitzt. Indem die Anstellwinkel der Turbinenblätter verstellt werden, entnimmt diese dem Abgasstrom unterschiedlich viel Leistung, so dass der Verdichter des Abgasturboladers unterschiedlich viel Leistung an die zu verdichtende Ladeluft abgibt. Auch kann ein Schiebehülsenlader vorgesehen sein. Die bekannten Ladedruckregler sind häufig als PID-Regler ausgeführt und bilden einen Teil der Motorsteuerung.

Aus der DE 100 26 806 C1 ist ein Verfahren zum Betreiben ei- nes Dieselmotors bekannt, bei dem zwischen einem Magerbetrieb mit überstöchiometrischem Verbrennungsluftverhältnis λ > 1 und einem Fettbetrieb mit unterstöchiometrischem Verbrennungsluftverhältnis λ < 1 umgeschaltet werden kann. Das Verfahren umfasst folgende Schritte Bestimmen von Motormomentschwan kungen während des Umschaltens und Konstanthalten des Motormoments während des Umschaltens durch Einstellen von das Motormoment beeinflussenden Parametern.

In der DE 197 41 565 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs beschrieben, wobei ein Sollwert für ein Drehmoment der Brennkraftmaschine vorgegeben wird, dieser Sollwert der Steuerung der Füllung durch Beeinflussung der Luftzufuhr zur Brennkraftmaschine und des Ladedrucks im Sinne einer Annäherung des Ist-Moments an den Sollwert eingestellt wird und die Füllung auf einen maximal zulässigen Wert begrenzt ist.

Aus der DE 195 02 150 C1 ist ein System zur Regelung der Aufladung einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei das System einen Integralregler enthält. Gegebenenfalls können auch ein Proportionalregler und/oder ein Differentialregler vorhanden sein. Die vom Integralregler durchgeführte Integration der Regelabweichung wird auf einen vorgebbaren Grenzwert begrenzt, um starke Überschwinger zu vermeiden. Es sind verschiedene Grenzwerte für stationäre und für dynamische Betriebszustände vorgebbar. Der dynamische Grenzwert kann mit Betriebskenngrößen abhängigen Korrekturen und mit einer adaptiven Korrektur versehen werden und zusätzlich um einen Sicherheitsabstand erhöht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Adaption der Reglerparameter eines Ladedruckreglers bereitzu- stellen, das während des Betriebs der Brennkraftmaschine für einen Fahrer unmerklich die Parameter des Ladedruckreglers kontinuierlich und zuverlässig adaptiert.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Verfahrensschritten aus Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterführungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bilden den Gegenstand der Unteransprüche.

Das erfindungsgemäße Verfahren erfasst in einem ersten Verfahrensschritt den Betriebszustand der Brennkraftmaschine und bestimmt bei Vorliegen eines stationären Betriebszustandes, ob eine Adaption der Reglerparameter erfolgen soll. Um einen zuverlässigen Betrieb der Brennkraftmaschine zu gewährleisten, wird die Adaption der Reglerparameter nur bei Vorliegen bestimmter Betriebsgrößen durchgeführt, beispielsweise bei ausreichender Betriebstemperatur. Soll die Adaption der Reglerparameter erfolgen, so wird in einem zweiten Verfahrensschritt abhängig von Betriebsgrößen eine von mehreren Formen für eine Anregung einer ersten Stellgröße der Regelstrecke ausgewählt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden unterschiedliche Formen der Anregung für eine erste Stellgröße bereitgestellt und abhängig von Betriebsparametern ausgewählt. Mit dieser Anregung wird der Sollwert für die erste angeregte Stellgröße bestimmt. In einem dritten Verfahrensschritt wird zu dem Sollwert der angeregten ersten Stellgröße ein Sollwert einer zweiten Stellgröße berechnet derart, dass ein von der Brennkraftmaschine abgegebenes Moment konstant bleibt. In dem vierten Verfahrensschritt wird aus den Istwerten für die erste Stellgröße, die sich nach der Anregung einstellen, die Regelparameter für die Regelstrecke bestimmt. Aus dem zeitlichen Verlauf der Antwortfunktion eines Systems auf eine Anregung, Parameter für einen Regler abzuleiten, ist an sich bekannt. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die Reglerparameter in vorbestimmten Betriebszuständen kontinuierlich neu bestimmt werden, ohne dass der Betrieb der Brennkraftmaschine gestört wird. Insbesondere wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren darauf abgestellt, dass die Adaption nur für solche Betriebszustände durchgeführt wird, in denen die Brennkraftmaschine stabil läuft und eine Adaption der Reglerparameter nicht zu einer Störung führt.
Das erfindungsgemäße Verfahren läuft für den Fahrer unmerklich ab, da über die zweite Stellgröße die Streckenanregung derart kompensiert wird, dass das von der Brennkraftmaschine abgegebene Moment konstant ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in dem zweiten Verfahrensschritt ein Sollwert für einen Ladedruck der Brennkraftmaschine bestimmt. Die Anregungsfunktion wird abhängig von Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine ausgewählt, wobei die Anregungsfunktion mit dem Sollwert für den Ladedruck bevorzugt multipliziert wird. Als Betriebsgrößen zur Auswahl der Anregungsfunktion haben sich insbesondere der Luftmassenstrom und/oder der Massenstrom aus der Brennkraftmaschine als vorteilhaft erwiesen. Als unterschiedliche Anregungsfunktion werden bevorzugt eine Sinuskurve, eine Stufenfunktion oder ein Pulsfolge eingesetzt. Es sind aber auch weitere Anregungsfunktionen möglich, deren Antwortfunktion sich zur Analyse der Reglerparameter eignen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Sollwert für den Ladedruck über ein Wastegate eingestellt, das in einer Parallelleitung zu einer Turbine des Abgasturboladers angeordnet ist. Wie bereits oben erwähnt, kann die Einstellung des Ladedrucks auch über andere Steller an der Turbine des Abgasturboladers erfolgen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird bevorzugt in dem dritten Verfahrensschritt ein Sollwert für eine Drosselklappe im Ansaugtrakt und/oder für Zündwinkelparameter als zweite Stellgröße berechnet. Es hat sich herausgestellt, dass durch ein Verstellen von Drosselklappenposition und/oder der Zündwinkelparameter eine über die Turbine des Abgasturboladers hervorgerufene Anregung des Ladedrucks besonders gut kompensiert werden kann.
Zur Auswertung der Antwortfunktion werden im vierten Verfahrensschritt aufeinanderfolgende Istwerte für den Ladedruck gespeichert. Der Verlauf der Ladedruckwerte über der Zeit ermöglicht es, bei Kenntnis der Anregungsfunktion und des Zeitpunktes der Anregung die relevanten Reglerparameter zuverlässig zu bestimmen. Hierbei wird bevorzugt, ein Algorithmus eingesetzt, der aus dem zeitlichen Verlauf der Ladedruckwerte sämtliche Parameter für den Ladedruckregler neu bestimmt. Es ist aber auch denkbar, für einzelne Parameter des Reglers spezielle Anregungen zu wählen.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand eines Beispiels näher erläutert.
Es zeigt:
1 eine schematische Ansicht einer Brennkraftmaschine und
2 das erfindungsgemäße Verfahren im Blockdiagramm.
1 zeigt eine Brennkraftmaschine 10 in einer schematischen Ansicht. Über einen Ansaugtrakt 12 wird der Brennkraftmaschine Frischluft zugeführt. Die zugeführte Frischluft strömt durch einen Luftfilter 14 und einen Ladeluftkühler 16. Stromaufwärts von dem Ladeluftkühler 16 ist ein Verdichter 18 eines Abgasturboladers vorgesehen. Stromabwärts von dem Lade- luftkühler 16 ist eine Drosselklappe 20 vorgesehen. Die verdichtete Frischluft tritt in einen der Zylinder 22 ein, wobei zur besseren Übersicht in der Figur lediglich vier Zylinder eingezeichnet sind. Stromabwärts von der Brennkraftmaschine 10 befindet sich der Abgastrakt 24 mit einem Katalysator 26. Stromaufwärts von dem Katalysator 26 ist eine Turbine 28 des Abgasturboladers angeordnet. Es versteht sich von selbst, dass die Turbine 28 mit dem Verdichter 18 gekoppelt ist, um im Betrieb über die Turbine 28 den Verdichter 18 anzutreiben.
Parallel zu dem Abgastrakt 24 im Bereich der Turbine 28 ist ein Bypass 30 mit einem Wastegate 32 vorgesehen. In 1 ist dargestellt, dass eine Motorsteuerung 34 das Wastegate 32 und die Drosselklappe 20 ansteuert. Zustandswerte wie der Betriebszustand der Brennkraftmaschine werden als Daten 36 in der Motorsteuerung 34 zur Verfügung gestellt.
2 zeigt ein Signalflussdiagramm, das das vorliegende Verfahren widerspiegelt. Als Eingangsgröße in das System ist eine berechnete Größe für die Position des Wastegates 32 vorgesehen. Bei einem über eine druckgeführte Membrandose gestellten Wastegate kann das Stellsignal für die Wastegateposition als pulsweitenmoduliertes Signal vorliegen (WGPWM_CLC). Das Stellsignal für die Wastegateposition 11 liegt an einem Schalter 13 an. In der in 2 dargestellten Stellung des Schalters 13 liegt an dem Schalteingang kein Signal an, so dass die berechnete Stellgröße 11 als Ausgangsstellgröße 15 an die Motorsteuerung 34 weitergeleitet wird. Das Schaltsignal für den Schalter 13 (LV_TCHA_PARAM_AD_ACT) ist Ausgangsgröße eines Moduls 17, dessen Eingangsgrößen Betriebszustände der Brennkraftmaschine 19, ein Zustandssignal 21 für einen stationären Zustand und der gewählte Gang 23 sind. Zu den Betriebszuständen 19 gehört beispielsweise die Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine. Das Erkennungsmodul 17 vergleicht für einen stationären Zustand 21 die Betriebsparameter 19 mit vorbestimmten Betriebsparametern und setzt entsprechend ein Ausgangssignal auf 1, wenn eine Adaption der Reglerparameter stattfinden soll.
In der Adaptionsphase der Reglerparameter wird in einem Modul 25 eine Anregungsfunktion ausgewählt. Die Auswahl erfolgt abhängig von den Werten des Luftmassenstroms (MAF) und dem Massenstrom aus der Brennkraftmaschine (FLOW_ENG). Es können aber noch weitere Betriebsparameter bei der Auswahl der Anregungskurve berücksichtigt werden. Auch ist es möglich, Frequenz und Amplitude der Anregungsfunktionen entsprechend den Betriebsparametern zu modifizieren.
In 2 dargestellt sind, die Anregungskurven 27 für eine sinusförmige Anregung, Anregungsfunktion 29 für eine Heavyside-Sprungfunktion und eine Pulsfolge 31 als Anregungsfunktion. Der Wert der ausgewählten Anregungsfunktion wird in den Schritten 33, 35, 37 mit dem Sollwert für die Stellung des Wastegates multipliziert. Der Sollwert für die Stellung des Wastegates wird abhängig von dem Sollwert für den Ladedruck 38 und die Drehzahl 40 berechnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist für die Berechnung jeweils ein Modul 42, 44 und 46 abhängig von der ausgewählten Anregungsfunktion vorgesehen. Es ist jedoch auch denkbar, lediglich ein Modul vorzusehen, das unabhängig von der ausgewählten Anregungsfunktion den Sollwert für die Wastegateposition bzw. das Ansteuersignal für das Wastegate bestimmt.
Das Ergebnis der Multiplikationsschritte mit der Anregungsfunktion 33, 35 oder 37 liegt an einem Mehrfachschalter 48 an. Der Mehrfachschalter 48 wird von einem Anregungsauswahlmodul 50 angesteuert. Abhängig von dem Ladedruck 52 (PUT) und dem Massenstrom aus der Brennkraftmaschine 54 steuert das Auswahlmodul 50 den Mehrfachschalter 48 an und legt dessen Ausgang fest. In der dargestellten Stellung wird die sinusförmige Anregung an den Schalter 13 angelegt und bei einem entsprechenden Steuersignal des Moduls 17 als Sollwert 15 ausgegeben.
Aus dem Sollwert für das Wastegate bei einer Anregung wird in einem nachfolgenden Modul 56 die erwartete Abweichung des Ladedrucks aufgrund der Anregung bestimmt. Diese Größe wird bevorzugt abhängig von dem Massenstrom aus der Brennkraftmaschine 58 (FLOW_ENG) und der Temperatur vor der Turbine 60 (TEG_TUR_UP) bestimmt. Um die erwartete Abweichung des Ladedrucks zu kompensieren, liegen an einem Modul 62 der Sollwert für den Ladedruck 64 und der Sollwert für den Luftmassenstrom 66 (MAF_KGH_SP) an. Das Ausgangssignal des Moduls 62 ist die zur Kompensation der erwarteten Ladedruckabweichung notwendige Drosselklappenstellung 68 (TPS_TCHA_PARAM_AD).
Der Sollwert für das Wastegate im angeregten Zustand wird als Signal 70 der Motorsteuerung zur weiteren Bearbeitung zur Verfügung gestellt.
In den Verfahrensschritten 72 werden aus dem Zeitverlauf der gemessenen Ladedruckwerte die Regelparameter 74, 76, 78 für einen PID-Regler ermittelt. Die Ermittlung der Regelparameter erfolgt abhängig von der Drehzahl 80. Zum besseren Verständnis sei die Anpassung der Regelparameter anhand des Algorithmus von Takahashi, wie er im Taschenbuch für Reglungstechnik von Lutz und Wendt, Verlag Harry Deutsch 1998, beschrieben ist, erläutert.
3 zeigt die wesentlichen Kenngrößen der Antwortfunktion einer proportionalen Regelstrecke auf eine Sprungfunktion.
Die Zeitintervalle sind hierbei wie folgt definiert, T_u ist die Verzugszeit, während T_g die Ausgleichszeit ist. Der asymptotische Endwert der Antwortfunktion ist mit K_S·Y_o gekennzeichnet, wobei wie in der Regelungstechnik üblich die Eingangsgrößen mit Y und die Ausgangsgrößen mit X bezeichnet sind.
Mit T als Abtastzeit lassen sich nach dem Algorithmus von Takahashi die Werte für K_R, T_N und T_V wie folgt berechnen:
Tv = 0,5·(Tu + T)
Für einen PID-Regelalgorithmus mit den allgemeinen Koeffizienten: yk = a1·yk-1 + b0·xd,k + b1·xd,k-1 + b2·xd,k-2 ergeben sich die Regelparameter unter Verwendung der oben genannten Parameter wie folgt: a1 = 1
Auch andere Algorithmen zur Bestimmung der Regelparameter sind neben dem vorgenannten Einstellverfahren von Takahashi möglich, neben anderen eignen sich auch die Einstellregeln von Ziegler und Nichols.

Claims

Verfahren zur Adaption von Regelparametern eines Ladedruckreglers bei einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem Abgasturbolader, mit den folgenden Verfahrensschritten: – in einem ersten Verfahrensschritt wird der Betriebszustand (19, 21, 23) der Brennkraftmaschine erfasst, bei einem stationären Betriebszustand und bei Vorliegen bestimmter Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine wird bestimmt, ob eine Adaption (17) der Regelparameter erfolgen soll, – wenn ja, wird in dem zweiten Verfahrensschritt abhängig von Betriebsgrößen eine von mehreren möglichen Formen (27, 29, 31) für eine Anregung einer ersten Stellgröße (15) der Regelstrecke ausgewählt und der Sollwert der angeregten ersten Stellgröße bestimmt (42, 44, 46), – in einem dritten Verfahrensschritt wird zu dem Sollwert der angeregten ersten Stellgröße ein Sollwert (68) einer zweiten Stellgröße berechnet derart, dass ein von der Brennkraftmaschine abgegebenes Moment konstant bleibt, – in einem vierten Schritt werden aus den Istwerten für die erste Stellgröße, die sich nach der Anregung einstellen, neue Regelparameter für die Regelstrecke bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Verfahrensschritt ein Sollwert für diesen Ladedruck der Brennkraftmaschine bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig von Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine, insbesondere Luftmassenstrom und Massenstrom aus der Brennkraftmaschine, in einem zweiten Verfahrensschritt eine Anregungsfunktion ausgewählt wird, die mit dem Sollwert für den Ladedruck multipliziert (33, 35, 37) wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Anregungsfunktion eine Sinusfunktion (27), eine Sprungfunktion (29) und eine Pulsfolge (31) vorgesehen sind.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert für den Ladedruck über ein Wastegate eingestellt wird, das in einer Parallelleitung zu einer Turbine des Abgasturboladers angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem dritten Verfahrensschritt ein Sollwert für eine Drosselklappe im Ansaugtrakt und/oder für Zündwinkelparameter als zweite Stellgröße bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im vierten Verfahrensschritt aufeinanderfolgende Istwerte für den Ladedruck gespeichert werden.
verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Zeitverlauf des Ladedrucks ein Satz neuer Parameter (74, 76, 78) für die Ladedruckregelung ermittelt wird.