DE10312493A1 - Regelungsverfahren und Steuerung für einen Verbrennungsmotor - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Steuerungsverfahren für einen Verbrennungsmotor, bei dem die Füllung und die Abgasrückführrate geregelt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren besitzt gegenüber herkömmlichen Konzepten den Vorteil, dass nicht die Frischluftmasse und der Ladedruck, sondern die Füllung und die AGR-Rate geregelt werden. Somit kann die Gasmasse und ihre Zusammensetzung unabhängig vom Betriebszustand des Motors optimal eingestellt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Steuerungsverfahren und eine entsprechende Steuerung für einen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 1 bzw. 8.
  • Bei den derzeit bei Verbrennungsmotoren eingesetzten Steuergerätekonzepten werden die angesaugte Frischluftmasse über einen Heißfilm-Luftmassensensor (HFM) vor dem Verdichter und der Ladedruck über einen Drucksensor erfasst und geregelt. Allerdings ist die Messung des Frischluftmassenstroms aufgrund des Speicherverhaltens des Ansaugtraktes bei dynamischen Zuständen eines Verbrennungsmotors, insbesondere bei Ladedruckänderungen, häufig fehlerhaft, wodurch die Steuerung ungenau wird.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Regelungsverfahren und eine entsprechende Steuerung für einen Verbrennungsmotor vorzuschlagen, welche eine genauere Steuerung des Verbrennungsmotors als bei den bisher bekannten Regelungskonzepten ermöglichen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Regelungsverfahren gemäß Anspruch 1 und eine Steuerung gemäß Anspruch 8 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Es hat sich gezeigt, dass eine genauere Steuerung für einen Verbrennungsmotor durch eine direkte Regelung der Gesamtfüllung mit dem Gasgemisch oder durch eine direkte, d.h. unmittelbare, Regelung der Abgasrückführrate (AGR-Rate) erreicht werden kann. Durch eine frischluftbasierte Abgasrückführ- und Ladedruckregelung kann dagegen die Regelung der Abgasrückführrate und der Gesamtfüllung nicht oder nur ungenau realisiert werden, da die Gesamtfüllung von vielen Motorzuständen abhängt. Außerdem ist die Regelung der Frischluftmasse über das Ventil der Abgasrückführung (AGR-Ventil) problematisch, weil die Regelstrecke (TV-AGR zu Frischluftmasse) nichtlinear und störempfindlich ist. Das stationäre Übertragungsverhalten zwischen dem Tastverhältnis (TV) des AGR-Ventils und der Abgasrückführmasse ist dagegen im Vergleich zur Frischluftmasse weniger drehzahlabhängig. Beim Vergleich der Sprungantworten des Abgasrückführ- und des Frischluftmassenstroms zeigen sich ebenfalls erhebliche Unterschiede im Übertragungsverhalten. Die Sprungantwort der Abgasrückführmasse erreicht wesentlich früher einen stationären Endwert als die Sprungantwort des Frischluftmassenstroms aufgrund einer kleinen Zeitkonstante der offenen Strecke. Allgemein kann gesagt werde, je kleiner die Zeitkonstante der offenen Strecke desto schneller der geschlossene Regelkreis.
  • Die Erfindung besitzt gegenüber herkömmlichen Konzepten also den Vorteil, dass nicht die Frischluftmasse und der Ladedruck, sondern unmittelbar die Füllung mit dem Gasgemisch aus dem zurückgeführten Abgas und der angesaugten Frischluft und die AGR-Rate geregelt werden. Somit kann die Gasmasse und ihre Zusammensetzung unabhängig vom Betriebszustand des Motors optimal eingestellt werden. Darüber hinaus entfällt eine aufwändige Bedatung temperaturabhängiger Korrekturkennfelder für den Frischluftmassen- und Ladedrucksollwert. Emissionsstreuungen zwischen Motoren, bedingt durch unterschiedliche Füllverhalten, können ebenfalls durch die Füllungs- und Abgasrückführratenregelung reduziert werden. Die genaue dynamische Erfassung aller Zustandsgrößen, ermöglicht es, den instationären Motorbetrieb zu optimieren.
  • Insbesondere basiert die Erfindung auf der Erfassung von Massen sowie der Zusammensetzung des angesaugten Gasgemisches im Brennraum des Verbrennungsmotors. Das erfindungsgemäße Verfahren basiert also im Wesentlichen auf einer physikalischen Verknüpfung der gemessenen Zustandsgrößen des Gassystems.
  • Für die Umsetzung einer Füllungs- und Abgasrückführratenregelung wird vorzugsweise der Zylinderdruck zum Erfassen der Massen ausgewertet. Das erfindungsgemäße Verfahren kann aber auch mit Hilfe anderer Methoden zur Füllungsbestimmung implementiert werden.
  • Vorzugsweise werden Regelgrößen von einem Modell bereitgestellt. Das Modell kann beispielsweise von einem programmtechnisch entsprechend eingerichteten Mikrocomputer eines Steuergeräts des Verbrennungsmotors implementiert sein.
  • Die Regelgrößen umfassen insbesondere die AGR-Ist-Masse, die Ist-Füllung und die Ist-AGR-Rate. Die Erfassung der Abgasrückführmasse ermöglicht zudem eine Adaption der Regelgrenze für das Öffnen eines AGR-Ventils. Dadurch kann im Regelbetrieb das Öffnen des AGR-Ventils beschleunigt und somit rechtzeitig genügend Abgasrückführmasse zugemischt werden. Stationäre Messungen haben gezeigt, dass die Regelgrenze für das Öffnen des AGR-Ventils nahezu unabhängig vom Betriebspunkt ist. Diese Adaption oder Beobachtung der Regelgrenze ist über den bisher eingesetzten frischluftbasierten Ansatz aufgrund der fehlenden Informationen nicht möglich.
  • Durch eine Umformulierung der Regelgrößen in der Sollwertberechnung können Kopplungen und Nichtlinearitäten in der Regelstrecke reduziert und somit die Regelgüte im stationären und dynamischen Motorbetrieb verbessert werden.
  • Betriebspunktabhängige Sollwerte für die Füllung und die AGR-Masse können aus der Motordrehzahl und der Einspritzmenge anhand der Ist-Füllung und der Ist-AGR-Rate errechnet werden.
  • Insbesondere werden Steuersignale zum Einstellen von Füllung und Abgasrückführrate anhand der betriebspunktabhängigen Sollwerte für die Füllung und die AGR-Masse und der AGR-Ist-Masse und der Ist-Füllung erzeugt.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Steuerung für einen Verbrennungsmotor, die eine Struktur aufweist, welche zur Regelung der Füllung und Abgasrückführrate ausgebildet ist.
  • Insbesondere ist ein Modell vorgesehen, das Regelgrößen bereitstellt.
  • Das Modell ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass es als Regelgrößen die AGR-Ist-Masse, die Ist-Füllung und die Ist-AGR-Rate bereitstellt.
  • Ferner kann eine Sollwertstruktur vorgesehen sein, die derart ausgebildet ist, dass sie betriebspunktabhängige Sollwerte für die Füllung und die AGR-Masse aus der Motordrehzahl und der Einspritzmenge anhand der Ist-Füllung und der Ist-AGR-Rate errechnet.
  • Weiterhin kann ein Mehrgrößenregler vorgesehen sein, der derart ausgebildet ist, dass er Steuersignale zum Einstellen von Füllung und Abgasrückführrate anhand der betriebspunktabhängigen Sollwerte für die Füllung und die AGR-Masse und der AGR-Ist-Masse und der Ist-Füllung erzeugt.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann sowohl die Motorfüllung als auch die Abgasrückführrate in Kombination oder auch nur eine der beiden Regelgrößen geregelt werden. Des Weiteren eignet sich die Erfindung bevorzugt für Dieselmotoren, ohne jedoch grundsätzlich darauf beschränkt zu sein.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Motorsteuerung.
  • Die Zeichnungen zeigen in
  • 1 eine Gesamtstruktur einer Steuerung gemäß der Erfindung,
  • 2 eine Sollwertstruktur der Gesamtstruktur von 1, und
  • 3 einen Mehrgrößenregler der Gesamtstruktur von 1.
  • 1 zeigt die Gesamtstruktur einer Füllungs- und Abgasrückführratenregelung 10 gemäß der Erfindung. Die betriebspunktabhängigen Sollwerte für die Füllung 26 und AGR-Rate 28 werden in einer Sollwertstruktur 12 umgerechnet, um die Regelgrößen zu entkoppeln und den dynamischen Betrieb zu optimieren. Die Sollwerte 26 und 28 werden aus der Motordrehzahl 30 und der Kraftstoff-Einspritzmenge 32 über Kennfelder 34 bzw. 36 abgeleitet. Eine direkte Regelung der AGR-Rate würde sich aufgrund der stark ausgeprägten Nichtlinearitäten als problematisch erweisen. Die umgerechneten Sollgrößen der Füllungssollgröße 38 und der AGR-Massensollgröße 40 werden von einem Mehrgrößenregler 14 verarbeitet. Der Mehrgrößenregler 14 erzeugt Signale 16 und 18 zur Steuerung der Füllung bzw. der Abgasrückführrate. Ein nicht dargestelltes Füllungsmodell stellt die Ist-Größen AGR-Ist-Masse 20, Ist-Füllung 22 und Ist-AGR-Rate 24 für die Sollwertstruktur 12 und den Mehrgrößenregler 14 bereit.
  • Mit der in 2 dargestellten Sollwertstruktur wird aus der Ist-Füllung 22 mGas_Ist und dem AGR-Ratensollwert 28 rAGR_Soll ein Rohwert mAGR_Soll_roh für den Abgasrückführmassensollwert 54 gemäß folgender Formel ermittelt: mAGR_Soll_roh = rAGR_Soll·mGAS_Ist
  • Um bei Mengensprüngen genügend Frischluftmasse einzustellen und den Ladedruckaufbau zu beschleunigen, wird der Rohwert 54 um die Differenz zwischen Soll- und Ist-Füllung 56 reduziert. Als Ergebnis wird die umgerechnete AGR-Massensollgröße 40 erhalten. Zur dynamischen Optimierung kann die Differenz 56 (ΔmGAS) je nach Größe durch eine Kennlinie 42 (k(mGAS)) mit der folgenden Funktion verstärkt werden: mAGR_Soll_roh = rAGR_Soll·mGAS_Ist – ΔmGas·k(mGas)
  • Da die Füllung nicht in jedem Betriebspunkt (kleine Einspritzmengen) eingestellt werden kann und somit bei gegebener Struktur der AGR-Ratensollwert 28 nicht erreicht würde, wird der Sollwert 28 durch einen I-Regler in Form einer Kaskadenregelung korrigiert. Die Kaskadenregelung umfasst einen Subtrahierer 58, der eine Differenz von Sollwert 28 und Ist-AGR-Rate 24 bildet, ein Freigabeelement 52, das mittels eines Freigabesignals 60 die vom Subtrahierer 58 gebildete Differenz freigibt, und einen Addierer 50, der ein Ausgangssignal des Freigabeelements 52 mit dem Sollwert 28 addiert. Die Kaskadenregelung wirkt nur bei inaktivierter Füllungsregelung im eingeschwungenen Zustand. Der I-Anteil wird bei aktiver Füllungsregelung auf Null geschaltet und eingefroren. Beim Zustandswechsel von aktiver zu inaktiver Füllungsregelung, wird der I-Regler mit dem eingefrorenen Wert vorbelegt.
  • Die Umformulierung der Regelgrößen ermöglicht somit die abgasrelevanten Zustandsgrößen über die AGR-Masse und Gesamtfüllung einzustellen. Für die Mehrgrößenregelung kann jede Art von Regler (z.B. entkoppelter PID-Regler, Zustandsgrößenregler und Fuzzy-Regler) eingesetzt werden. Das Verfahren wird im Folgenden anhand einer entkoppelten PID-Regelung beschrieben.
  • 3 zeigt einen PID-Mehrgrößenregler 14 mit Entkopplungstermen 78 und 80. Der Regler 14 umfasst Vorsteuerungen 62 und 64, denen die Drehzahl 30 und die umgerechnete Füllungssollgröße 38 bzw. die umgerechnete AGR-Massensollgröße 40 eingangsseitig zugeführt werden. Die Vorsteuerungen 62 und 64 erzeugen aus den zugeführten Signalen bzw. Werten Vorsteuerwerte 66 bzw. 68, die über Addierer 70 bzw. 72 zu internen Reglersignalen 74 bzw. 76 addiert werden, um das Füllungssteuersignal 16 bzw. das Abgasrückführratensteuersignal 18 zu erhalten. Dadurch wird ein schnelles Regelverhalten erzielt. Die internen Reglersignale 74 und 76 werden durch einen Addierer 86 bzw. 88 aus den Ausgangssignalen von PID-Reglern 82 bzw. 84 und den Vorsteuerungen 62 bzw. 64 erzeugt.
  • Dem PID-Regler 82 wird eingangsseitig die von einem Subtrahierer 86 erzeugte Differenz von umgerechneter Füllungssollgröße 38 und Ist-Füllung 22, dem PID-Regler 84 die von einem Subtrahierer 88 erzeugte Differenz von umgerechneter AGR-Massensollgröße 40 und AGR-Ist-Masse 20 zugeführt.
  • Die Querempfindlichkeiten zwischen den Stell- und Regelgrößen werden durch die Entkopplungsterme 78 und 80 in Verbindung mit Addierern 90 bzw. 92 kompensiert. Wichtig ist, dass nur die Stellgrößenanteile der PID-Regler 82 und 84 den Entkopplungstermen 78 und 80 zugeführt werden, da die Vorsteuerwerte 66 und 68 zum einen aus stationären Messdaten (eingeschwungener Zustand) ermittelt werden und zum anderen nur von den Sollwerten abhängig sind. Die gewählte Struktur erlaubt somit eine Applikation der Entkopplungsterme 78 und 80 aus linearisierten betriebspunktabhängigen Streckenmodellen.
  • Nicht dargestellt ist eine Koordinierungsebene, dessen Aufgabe in der Adaption der Regelparameter, Entkopplungsfreigabe und Reglerkoordination besteht.
    • 10
    Gesamtstruktur einer Füllungs- und Abgasrückführratenregelung
    12
    Sollwertstruktur
    14
    Mehrgrößenregler
    16
    Füllungssteuerungssignal
    18
    Abgasrückführratensteuersignal
    20
    AGR-Ist-Masse
    22
    Ist-Füllung
    24
    Ist-AGR-Rate
    26
    Füllungssollwert
    28
    AGR-Ratensollwert
    30
    Motordrehzahl
    32
    Einspritzmenge
    34
    Kennfeld
    36
    Kennfeld
    38
    umgerechnete Füllungssollgröße
    40
    umgerechnete AGR-Massensollgröße
    42
    Funktion
    44
    Subtrahierer
    46
    Subtrahierer
    48
    Multiplizierer
    50
    Addierer
    52
    Freigabeelement
    54
    Rohwert für Abgasrückführmassensollwert
    56
    Differenz zu Soll- und Ist-Füllung
    58
    Subtrahierer
    60
    Freigabesignal
    62
    Vorsteuerung
    64
    Vorsteuerung
    66
    Vorsteuerwert
    68
    Vorsteuerwert
    70
    Addierer
    72
    Addierer
    74
    Reglersignal
    76
    Reglersignal
    78
    Entkopplungsterm
    80
    Entkopplungsterm
    82
    PID-Regler
    84
    PID-Regler
    86
    Subtrahierer
    88
    Subtrahierer
    90
    Addierer
    92
    Addierer

Claims (12)

  1. Regelungsverfahren für einen Verbrennungsmotor, bei dem von dem Verbrennungsmotor ausgestoßenes Abgas zurückgeführt und mit angesaugter Frischluft gemischt wird, um ein entsprechendes Gasgemisch zu erhalten und dem Verbrennungsmotor zuzuführen, und bei dem unmittelbar eine Füllung des Verbrennungsmotors mit dem Gasgemisch oder eine Abgasrückführrate des Verbrennungsmotors, mit welcher das Abgas zurückgeführt wird, geregelt werden.
  2. Regelungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es auf einer Erfassung von Massen und einer Zusammensetzung des angesaugten Gasgemisches in einem Brennraum des Verbrennungsmotors basiert.
  3. Regelungsverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Brennraumdruck des Verbrennungsmotors zum Erfassen der Massen ausgewertet wird.
  4. Regelungsverfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass Regelgrößen (20, 22, 24) von einem Modell bereitgestellt werden.
  5. Regelungsverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelgrößen eine Ist-Abgasrückführung (20), eine Ist-Füllung mit dem Gasgemisch (22) und eine Ist-Abgasrückführrate (24) des Verbrennungsmotors umfassen.
  6. Regelungsverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass betriebspunktabhängige Sollwerte für die Füllung und die Abgasrückführmasse (38, 40) aus einer Motordrehzahl (30) und einer Gasgemisch-Einspritzmenge (32) anhand der Ist-Füllung (22) und der Ist-Abgasrückführrate (24) errechnet werden (12).
  7. Steuerungsverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Steuersignale (16, 18) zum Einstellen der Füllung und Abgasrückführrate anhand der betriebspunktabhängigen Sollwerte für die Füllung und die Abgasrückführmasse (38, 40) und der Ist-Abgasrückführmasse (20) und der Ist-Füllung (22) erzeugt werden.
  8. Steuerung für einen Verbrennungsmotor, bei dem von dem Verbrennungsmotor ausgestoßenes Abgas zurückgeführt und mit angesaugter Frischluft gemischt wird, um ein entsprechendes Gasgemisch zu erhalten und dem Verbrennungsmotor zuzuführen, wobei die Steuerung eine Struktur (10) aufweist, welche zur unmittelbaren Regelung einer Füllung des Verbrennungsmotors mit dem Gasgemisch oder einer Abgasrückführrate des Verbrennungsmotors, mit welcher das Abgas zurückgeführt wird, ausgebildet ist.
  9. Steuerung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung auf ein Modell zurückgreift, das Regelgrößen (20, 22, 24) bereitstellt.
  10. Steuerung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell derart ausgebildet ist, dass es als Regelgrößen eine Ist-Abgasrückführmasse (20), eine Ist-Füllung (22) und eine Ist-Abgasrückführrate (24) des Verbrennungsmotors bereitstellt.
  11. Steuerung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sollwertstruktur (12) vorgesehen ist, die derart ausgebildet ist, dass sie betriebspunktabhängige Sollwerte für die Füllung und die Abgasrückführmasse (38, 40) aus einer Motordrehzahl (30) und einer Gasgemisch-Einspritzmenge (32) anhand der Ist-Füllung (22) und der Ist-Abgasrückführrate (24) errechnet.
  12. Steuerung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mehrgrößenregler (14) vorgesehen ist, der derart ausgebildet ist, dass er Steuersignale (16, 18) zum Einstellen der Füllung und Abgasrückführrate anhand der betriebspunktabhängigen Sollwerte für die Füllung und die Abgasrückführmasse (38, 40) und der Ist-Abgasrückführmasse (20) und der Ist-Füllung (22) erzeugt.
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