DE10312493B4 - Regelungsverfahren und Steuerung für einen Verbrennungsmotor - Google Patents
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Abstract
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, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Regelung betriebspunktabhängige Sollwerte für die Füllung oder für die Abgasrückführmasse (38, 40) verwendet werden.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Regelungsverfahren und eine entsprechende Steuerung für einen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 1 bzw. 8.
- Aus der nachveröffentlichten
DE 101 62 970 A1 ist ein modellbasiertes Regelungsverfahren für einen Verbrennungsmotor bekannt, wobei als Regelungsgrößen die Abgasrückführrate bzw. der Abgasrückführmassenstrom geregelt werden. Darüber hinaus schlägt diese Druckschrift vor, den Brennraumdruck des Verbrennungsmotors auszuwerten, um die Zylinderfüllung und davon abhängig den Abgasrückführmassenstrom zu bestimmen. - Darüber hinaus sind Regelungsverfahren für die rückgeführte Abgasmenge aus
DE 43 03 332 A1 undDE 199 12 317 A1 bekannt. Die DruckschriftDE 197 30 973 A1 schlägt zur Regelung des Abgasrückführmassenstroms die Auswertung des Ladedrucks und der Ladelufttemperatur vor, während die DruckschriftDE 141 076 A1 lehrt, den Abgasrückführmassenstrom aus bestimmten Betriebsgrößen gemäß unterschiedlichen Methoden herzuleiten, um anschließen die Abweichung zwischen den nach den verschiedenen Methoden ermittelten Abgasrückführmassenströmen zu bestimmen und aus der Abweichung Korrekturgrößen für den Abgasrückführmassenstrom zu ermitteln. - Auch aus der
DE 31 37 390 A1 ist eine Einrichtung zum Regeln der Abgasrückführrate bekannt, wobei die mit einem Drucksensor gemessenen Verbrennungsdrücke für die Abgasregelung verwendet werden. - Die Druckschrift
DE 44 43 517 A1 offenbart schließlich eine Einrichtung zur Lasterfassung bei einer Brennkraftmaschine, wobei die Last auf Basis des Zylinderdrucks in verschiedenen Verfahren bestimmt und auf Basis der Druckdifferenz von zwei Zylinderdrücken die Gasmasse im Zylinder aus dem Brennraumdruck berechnet wird, um daraus die Luftmasse zu ermitteln. - 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 von1 , und -
3 einen Mehrgrößenregler der Gesamtstruktur von1 . -
1 zeigt die Gesamtstruktur einer Füllungs- und Abgasrückführratenregelung10 gemäß der Erfindung. Die betriebspunktabhängigen Sollwerte für die Füllung26 und AGR-Rate28 werden in einer Sollwertstruktur12 umgerechnet, um die Regelgrößen zu entkoppeln und den dynamischen Betrieb zu optimieren. Die Sollwerte26 und28 werden aus der Motordrehzahl30 und der Kraftstoff-Einspritzmenge32 über Kennfelder34 bzw.36 abgeleitet. Eine direkte Regelung der AGR-Rate würde sich aufgrund der stark ausgeprägten Nichtlinearitäten als problematisch erweisen. Die umgerechneten. Sollgrößen der Füllungssollgröße38 und der AGR-Massensollgröße40 werden von einem Mehrgrößenregler14 verarbeitet. Der Mehrgrößenregler14 erzeugt Signale16 und18 zur Steuerung der Füllung bzw. der Abgasrückführrate. Ein nicht dargestelltes Füllungsmodell stellt die Ist-Größen AGR-Ist-Masse20 , Ist-Füllung22 und Ist-AGR-Rate24 für die Sollwertstruktur12 und den Mehrgrößenregler14 bereit. - Mit der in
2 dargestellten Sollwertstruktur wird aus der Ist-Füllung22 mGAS_ist und dem AGR-Ratensollwert28 rAGR_Soll ein Rohwert mAGR_Soll_roh für den Abgasrückführmassensollwert54 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-Füllung56 reduziert. Als Ergebnis wird die umgerechnete AGR-Massensollgröße40 erhalten. Zur dynamischen Optimierung kann die Differenz56 (ΔmGAS) je nach Größe durch eine Kennlinie42 (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 Sollwert28 durch einen I-Regler in Form einer Kaskadenregelung korrigiert. Die Kaskadenregelung umfasst einen Subtrahierer58 , der eine Differenz von Sollwert28 und Ist-AGR-Rate24 bildet, ein Freigabeelement52 , das mittels eines Freigabesignals60 die vom Subtrahierer58 gebildete Differenz freigibt, und einen Addierer50 , der ein Ausgangssignal des Freigabeelements52 mit dem Sollwert28 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-Mehrgrößenregler14 mit Entkoppfungstermen78 und80 . Der Regler14 umfasst Vorsteuerungen62 und64 , denen die Drehzahl30 und die umgerechnete Füllungssollgröße38 bzw. die umgerechnete AGR-Massensollgröße40 eingangsseitig zugeführt werden. Die Vorsteuerungen62 und64 erzeugen aus den zugeführten Signalen bzw. Werten Vorsteuerwerte66 bzw.68 , die über Addierer70 bzw.72 zu internen Reglersignalen74 bzw.76 addiert werden, um das Füllungssteuersignal16 bzw. das Abgasrückführratensteuersignal18 zu erhalten. Dadurch wird ein schnelles Regelverhalten erzielt. Die internen Reglersignale74 und76 werden durch einen Addierer86 bzw.88 aus den Ausgangssignalen von PID-Reglern82 bzw.84 und den Vorsteuerungen62 bzw.64 erzeugt. - Dem PID-Regler
82 wird eingangsseitig die von einem Subtrahierer86 erzeugte Differenz von umgerechneter Füllungssollgröße38 und Ist-Füllung22 , dem PID-Regler84 die von einem Subtrahierer88 erzeugte Differenz von umgerechneter AGR-Massensollgröße40 und AGR-Ist-Masse20 zugeführt. - Die Querempfindlichkeiten zwischen den Stell- und Regelgrößen werden durch die Entkopplungsterme
78 und80 in Verbindung mit Addierern90 bzw.92 kompensiert. Wichtig ist, dass nur die Stellgrößenanteile der PID-Regler82 und84 den Entkopplungstermen78 und80 zugeführt werden, da die Vorsteuerwerte66 und68 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 Entkopplungsterme78 und80 aus linearisierten betriebspunktabhängigen Streckenmodellen. - Nicht dargestellt ist eine Koordinierungsebene, dessen Aufgabe in der Adaption der Regelparameter, Entkopplungsfreigabe und Reglerkoordination besteht.
- Bezugszeichenliste
-
- 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)
- 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, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Regelung betriebspunktabhängige Sollwerte für die Füllung oder für die Abgasrückführmasse (
38 ,40 ) verwendet werden. - 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.
- Regelungsverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Brennraumdruck des Verbrennungsmotors zum Erfassen der Massen ausgewertet wird.
- Regelungsverfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass Regelgrößen (
20 ,22 ,24 ) von einem Modell bereitgestellt werden. - 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. - Regelungsverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die betriebspunktabhängigen 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 ). - Regelungsverfahren 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. - 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, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung auf eine Sollwertstruktur (12 ) zugreift, welche betriebspunktabhängige Sollwerte für die Regelung der Füllung oder die Regelung der Abgasrückführmasse (38 ,40 ) bereitstellt. - Steuerung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung auf ein Modell zurückgreift, das Regelgrößen (
20 ,22 ,24 ) bereitstellt. - 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. - Steuerung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollwertstruktur (
12 ) 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. - 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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