DE19612739A1

DE19612739A1 - Abgasrückführungs-Steuerungsanlage

Info

Publication number: DE19612739A1
Application number: DE19612739A
Authority: DE
Inventors: Vincent P Socci; Ross C Berryhill; Eric K Bradley; Charles R Schenk
Original assignee: Cummins Engine Co Inc
Current assignee: Cummins Inc
Priority date: 1995-03-30
Filing date: 1996-03-29
Publication date: 1996-10-02
Anticipated expiration: 2016-03-30
Also published as: US5533489A; DE19612739B4; GB2299417B; JPH08296507A; GB9606773D0; GB2299417A

Description

Die Erfindung betrifft Steuerungsanlagen, insbesondere Steu erungsanlagen für die Abgasrückführung in Kraftfahrzeugmoto ren.

Es ist allgemein anerkannt, daß die Erzeugung von umweltver schmutzenden giftigen Stickstoffoxiden (NO_x) unerwünscht ist und in vielen Fällen Beschränkungen aus von Gemeinden, Län dern oder vom Bund erlassenen Vorschriften unterliegt. Die Bildung von NO_x-Bestandteilen in den Abgasprodukten einer Verbrennungskraftmaschine muß daher beseitigt, so gering wie möglich gehalten oder zumindest unter einem vorbestimmten Grenzwert oder Niveau gehalten werden.

Nach allgemeinem Verständnis wird das Vorhandensein von NO_x in den Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen durch die Ver brennungstemperatur und den Verbrennungsdruck bestimmt. Eine Erhöhung der Verbrennungstemperatur führt zu einer Vergröße rung der NO_x-Menge in den Motorabgasen. Es ist daher wün schenswert, die Verbrennungstemperatur so zu steuern, daß die NO_x-Menge in den Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine ein geschränkt wird.

Ein im Stand der Technik angewandtes übliches Verfahren zum Begrenzen oder Steuern der Verbrennungstemperatur bestand darin, einen Teil des Abgases wieder in den Motorluftansaug krümmer zu leiten (sogenannte Abgasrückführung oder AGR). Weil die Abgase eine höhere spezifische Wärme besitzen, ver brennt das Verbrennungsgemisch bei einer niedrigeren Tempera tur. Diese reduziert wiederum das bei der Verbrennung erzeug te NO_x.

Bis die durch Abgasemissionen verursachten Schwierigkeiten allgemein erkannt wurden, war es übliche Praxis, eine Ver brennungskraftmaschine mit oder nahe einer Zündverstellung zu betreiben, die maximale Verbrennungsspitzendrücke erzeugt. Wenn jedoch der Motor mit solchen Zündverstellungen betrieben wird, die einen maximalen Verbrennungsspitzendruck erzeugen, werden in den Brennkammern unglücklicherweise nicht akzep tierbare große NO_x-Mengen erzeugt. Um die Bildung und Emis sion von NO_x zu verhindern, ist es daher wünschenswert, den Verbrennungsspitzendruck auf einen gewählten Wert zu begren zen.

Im Stand der Technik wurde die AGR zur Begrenzung des Ver brennungsdrucks angewandt, weil bekannt ist, daß eine erhöhte Rückführung von Abgasen in den Ansaugkanal der Brennkammer den Verbrennungsspitzendruck und somit die damit verbundenen Mengen unerwünschten NO_x absenkt.

Daher ist es allgemein bekannt, daß die Bildung unerwünschter Stickstoffoxide durch Rückführen eines Teils der Abgase in den Luft-Kraftstoff-Ansaugkanal des Motors verringert werden kann, so daß das ankommende Luft-Kraftstoffgemisch mit iner tem N₂, H₂O und CO₂ verdünnt wird. Die molare spezifische Wärme dieser Gase (insbesondere des CO₂) absorbiert wesentli che Wärmeenergie, so daß Prozeßspitzentemperaturen und/oder -drücke auf Niveaus gesenkt werden, die der Reduzierung der NO_x-Bildung förderlich sind.

Einerseits ist bekannt, daß die Bildung von NO_x mit der Zu nahme des AGR-Stromes auf einen Wert, der etwa 20% der Abgas bestandteile darstellt, abnimmt, andererseits auch bekannt ist, daß mit diesem eine Verschlechterung der Motorleistung einhergeht, einschließlich einer Verschlechterung der Motor laufruhe und einer Abnahme der Motorleistung bei zunehmender AGR, um nur einiges zu nennen. Daher ist ein die Größe der AGR begrenzender Faktor die Größe der von der AGR induzierten Senkung der Leistung oder der Laufruhe, die noch akzeptiert werden kann, bevor das Fahrzeugfahrverhalten inakzeptabel wird. Ferner sollte die AGR während Lastübergängen nicht eingeschaltet sein, da dies "unvollständige Verbrennung" ver ursacht, die zu schwarzem Rauch in den Motorabgasen führt. Es ist auch üblicherweise wünschenswert, daß die AGR bei starker Beschleunigung abgeschaltet wird, so daß der Motor maximale Leistung abgeben kann.

Die Bestimmung des richtigen AGR-Betrages unter veränderli chen Motorbetriebsbedingungen hat sich im Stand der Technik als komplexe und schwierige Aufgabe herausgestellt. Die mei sten herkömmlichen Steuerungsanlagen benutzen wenigstens zwei über Sensoren ermittelte Motorparameter als Eingänge in die AGR-Steuerung. Beispielsweise werden gemäß dem US-Patent Nr. 4,224,912 (Tanaka) sowohl die Motordrehzahl als auch die Men ge der angesaugten Luft als Steuervariable benutzt. Gemäß dem US-Patent Nr. 4,142,493 (Schira et al) werden entweder Motor drehzahl und absoluter Krümmerdruck oder Motordrehzahl und Drosselstellung benutzt. Gemäß dem US-Patent Nr. 4,174,027 (Nakazumi) werden als Eingangsvariablen der Steuerungsanlage sowohl die Feststellung der Kupplungsbetätigung als auch die Feststellung der Drosselöffnung benutzt. Alle diese Verfahren fordern die Überwachung mehrerer Motorparameter, was einen bedeutenden Einfluß auf die Kosten haben kann, wenn die über wachten Signale nicht schon innerhalb des Motors zur Verfü gung stehen. Es ist daher wünschenswert, die AGR mit einem einzigen überwachten Motorparameter als Eingang in die Steu erungsanlage zu steuern, um die Komplexität der Steuerungs anlage zu mildern und dadurch das Kosten-Nutzen-Verhältnis und die Zuverlässigkeit der Anlage zu verbessern.

Auch können viele der bisherigen AGR-Steuerungsanlagen nicht bei Dieselmotoren verwendet werden. Dieselmotoren unterschei den sich von Ottomotoren auf vielen wichtigen Gebieten, dar unter das, daß der Dieselmotor über keinen ventil- oder dros selgesteuerten Ansaugkrümmer aufweist, in den die Verbren nungsluft über Drossel und Ventil angesaugt wird. Folglich ist der in der Ansaugleitung eines Dieselmotors herrschende Unterdruck allenfalls gering. Daher ist die durch den An saugkrümmer eines Ottomotors gebildete Unterdruckquelle bei einem Dieselmotor nicht vorhanden. Folglich funktioniert eine Steuerungsanlage, die als ihren Eingang den Unterdruck ver wendet, nicht bei einem Dieselmotor.

Bei einem Dieselmotor wird die Motordrehzahl unter einer be stimmten Last durch die Kraftstoffmenge gesteuert, die in die Motorbrennkammern eingespritzt wird, und folglich wird als "Drossel" des Dieselmotors ein manuell betätigtes Fußpedal betrachtet, das über ein Gestänge mit einer Kraftstoffpumpe zur Versorgung der Kraftstoffeinspritzorgane des Motors ver bunden ist. Das fußbetätigte Pedal wird zum Regeln der von der Kraftstoffpumpe an die Brennkammern des Motors abgegebe nen Kraftstoffmenge betätigt und steuert so die Motordrehzahl unter einer bestimmten Last. Weil die in die Brennkammer ein gespritzte Kraftstoffmenge variiert, verändert sich die NO_x- Erzeugung in Abhängigkeit von der Drosseleinstellung. Somit ist es theoretisch möglich, die AGR in einem Dieselmotor nur unter Benutzung der Drosselstellung als Eingang in die Steue rungsanlage zu steuern.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine AGR- Steuerungsanlage zu schaffen, die als Eingang in die Steue rungsanlage nur die Drosselstellung benutzt. Eine solche Steuerungsanlage soll in einem Dieselmotor verwendbar sein.

Gemäß der Erfindung wird bei einer Steuerungsanlage zum Steu ern der Abgasrückführung (AGR) in einer Verbrennungskraftma schine als Eingang in zwei parallele Filter der Ausgang eines Drosselstellungs-Sensors benutzt. Das erste Filter ist ein lag-lead-kompensiertes Filter, das als Differenziereinrich tung wirkt, die einen der momentanen Geschwindigkeit der Drosselstellungsänderung proportionalen Ausgang erzeugt. Das zweite Filter ist ein Festraten-Nachlauffilter mit fester Rate bzw. Geschwindigkeit, das ein dem Eingangssignal folgen des Nachlaufsignal generiert. Jedoch kann sich das Nachlauf signal nicht mit mehr als einer vorbestimmten maximalen Ge schwindigkeit ändern. Der Ausgang des zweiten Filters ist die Differenz zwischen dem Eingangssignal und dem Nachlaufsignal. Die Ausgänge der beiden Filter werden summiert und an eine hysteretische Vergleichsschaltung angelegt, die das AGR-Ven til schließt, wenn die Summe einen oberen Schwellenwert über steigt, und es wiederöffnet, wenn die Summe unter einen unte ren Schwellenwert abgesunken ist. Folglich ist der Ausgang des ersten Filters weitgehend für das Steuern des AGR-Ventils in den Schließzustand, dagegen das zweite Filter für die Be stimmung verantwortlich, wie lange das AGR-Ventil geschlossen bleibt.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich eine Steuerungsanlage, die ein Eingangssignal zu empfangen und ein Anlagenausgangssignal zu erzeugen vermag, erfindungsgemäß aus durch

- einen ersten Signalprozessor, der ausgehend von einer Änderungsgeschwindigkeit des Eingangssignals ein erstes Si gnalprozessor-Ausgangssignal zu erzeugen vermag, und
- einen zweiten Signalprozessor, der ein Nachlaufsignal, das dem Eingangssignal zeitlich folgt und eine vorbestimmte maximale Änderungsgeschwindigkeit nicht übersteigt, und dadurch, daß
- das Anlagenausgangssignal eine Summierung des ersten und des zweiten Signalprozessor-Ausgangssignals umfaßt.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich eine Abgasrückführungs-Steuerungsanlage für eine Verbren nungskraftmaschine erfindungsgemäß aus durch

- einen Eingangsanschluß zum Empfangen eines einen Motor betriebsparameter angebenden Eingangssignals,
- einen ersten Signalprozessor, der mit dem Eingangsan schluß betriebsmäßig verbunden ist und ein erstes Signalpro zessor-Ausgangssignal ausgehend von einer Änderungsgeschwin digkeit des Eingangssignals zu erzeugen vermag,
- einen zweiten Signalprozessor, der ein zweites Signal prozessor-Ausgangssignal, das dem Eingangssignal zeitlich folgt und eine vorbestimmte maximale Änderungsgeschwindigkeit nicht übersteigt,
- einem Ausgangsanschluß, der mit dem ersten und dem zwei ten Signalprozessor und einem Abgasrückführungs-Ventil bei triebsmäßig verbunden ist und ein Anlagenausgangssignal an das Abgasrückführungs-Ventil abzugeben vermag,

und dadurch, daß

- das Anlagenausgangssignal eine Summierung des ersten und des zweiten Signalprozessor-Ausgangssignals umfaßt.

Bei einer noch anderen Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich eine Verbrennungskraftmaschine mit Abgasrückführung er findungsgemäß aus durch

- einen Luftansaugweg,
- einen Ausstoßweg,
- wenigstens eine Brennkammer, die mit dem Luftansaugweg und dem Ausstoßweg verbunden ist,
- ein Abgasrückführungs-Steuerventil, das nach Wahl den Ausstoßweg mit dem Luftansaugweg zu verbinden vermag,
- eine Steueranlage, die mit dem Abgasrückführungs-Steuer ventil verbunden ist, wobei die Steueranlage umfaßt:
- einen Eingangsanschluß zum Empfangen eines einen Motorbetriebsparameter angebenden Eingangssignals,
- einen ersten Signalprozessor, der mit dem Eingangs anschluß betriebsmäßig verbunden ist und ausgehend von einer Änderungsgeschwindigkeit des Eingangssignals ein erstes Signalprozessor-Ausgangssignal zu erzeugen ver mag,
- einen zweiten Signalprozessor, der ein zweites Si gnalprozessor-Ausgangssignal zu erzeugen vermag, das dem Eingangssignal zeitlich folgt und eine vorbestimmte maxi male Änderungsgeschwindigkeit nicht übersteigt,
- einen Ausgangsanschluß, der mit dem ersten und dem zweiten Signalprozessor betriebsmäßig verbunden ist und ein Anlagenausgangssignal an das Abgasrückführungs-Ven til anzulegen vermag,

und dadurch, daß

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich ein Verfahren zum Steuern einer Vorrichtung erfindungs gemäß aus durch die Schritte:

a) Empfangen eines Eingangssignals,
b) Generieren eines ersten Ausgangssignals ausgehend von einer Änderungsgeschwindigkeit des Eingangssignals,
c) Generieren eines zweiten Ausgangssignals, das dem Ein gangssignal zeitlich folgt und eine vorbestimmte maximale Änderungsgeschwindigkeit nicht übersteigt,
d) Summieren des ersten und des zweiten Ausgangssignals zum Erzeugen eines zusammengesetzten Ausgangssignals, und
e) Anlegen des zusammengesetzten Ausgangssignals an die Vorrichtung.

Bei einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung umfaßt ein Verfahren zum Steuern eines Abgasrückführungs-Ventils an einer Verbrennungskraftmaschine die Schritte:

a) Empfangen eines einen Motorbetriebsparameter angebenden Eingangssignals,
b) Empfangen eines Eingangssignals ausgehend von einer Än derungsgeschwindigkeit des Eingangssignals,
c) Generieren eines zweiten Ausgangssignals, das dem Ein gangssignal zeitlich folgt und eine vorbestimmte Änderungs geschwindigkeit nicht übersteigt,
d) Summieren des ersten und des zweiten Ausgangssignals zum Erzeugen eines zusammengesetzten Ausgangssignals, und
e) Anlegen des zusammengesetzten Ausgangssignals an das Ab gasrückführungs-Ventil.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgen den anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Verbrennungskraftmaschi ne, eines AGR-Ventils und einer erfindungsgemäßen Steuerungsanlage,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Steuerungsanlage gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3A bis 3E Spannungs-Zeit-Diagramme für verschiedene Signale in der Steuerungsanlage gemäß Fig. 2,

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Steuerungsanlage gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 5 ein Spannungs-Zeit-Diagramm für mehrere Signale in der Steuerungsanlage gemäß Fig. 4.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Verbrennungskraftmaschine bzw. Motor 10 mit einem Ansaugkrümmer 12 als Luftansaugweg und einem Auslaßkrümmer 14 als Ausstoßweg wird Ansaugluft in den Motor 10 über den Ansaugkrümmer 12 eingeleitet. Das aus Luft und Kraftstoff kombinierte Gemisch wird dann im Motor 10 verbrannt, um eine Antriebswelle 16 drehanzutreiben. Abgase aus dem Verbrennungsprozeß werden über den Auslaßkrümmer 14 ausgespült. Um NO_x-Emissionen aus dem Motor 10 zu verringern, können Abgase aus dem Auslaßkrümmer 14 über Kanäle 18 und 20 zum Ansaugkrümmer 12 geleitet werden. Der Abgasstrom durch die Kanäle 18 und 20 wird von einem AGR-Ventil 22 gesteuert. Bei geöffnetem AGR-Ventil 22 können Abgase aus dem Auslaß krümmer 14 zum Ansaugkrümmer 12 strömen, wo sie vor der Ver brennung im Motor 10 mit Ansaugluft vermischt werden. Bei geschlossenem AGR-Ventil 22 werden keine Abgase in den An saugkrümmer 12 geleitet, die Verbrennungsgase im Motor 10 bestehen daher nur aus der Ansaugluft. Das AGR-Ventil 22 wird von einer Steuerungsanlage 24 gesteuert, die über einen Ven tiltreiber 26 wirkt. Der Ausgang der Steuerungsanlage 24 geht von einer einzigen Eingang, einem Drosselstellungs-Sensor 28 aus. Die Steuerungsanlage 24 ist so ausgelegt, daß sie das AGR-Ventil 22 jedesmal dann schließt, wenn die Abgasrückfüh rung eine nicht akzeptierbar nachteilige Wirkung auf die Lei stung des Motors 10 hätte. Die Steuerungsanlage 24 geht bei der Bestimmung der AGR-Ventilstellung allein vom Eingang vom Drosselstellungs-Sensor 28 aus.

Fig. 2 zeigt mit näheren Einzelheiten eine erste Ausführungs form der Steuerungsanlage 24. Der Drosselstellungs-Sensor 28 erzeugt an seinem Ausgang eine analoge Spannung, die der Stellung der Motordrossel proportional ist. Solche Drossel stellungs-Sensoren sind in der Fachwelt bekannt. Die Aus gangsspannung des Drosselstellungs-Sensors 28 wird in ein lag-lead-kompensiertes Filter 30 eingegeben, das als Diffe renzierschaltung wirkt. Das Filter 30 hat sowohl ein Tiefpaß filter 32 mit einer Filterkonstanten T₁ als auch ein diffe renzierendes Lead-Filter 34 mit einer Lead-Verstärkung -K. Der Ausgang der Differenzierschaltung bzw. des Filters 30 ist ein differenziertes Drosselstellungssignal 36, welches die momentane Änderungsgeschwindigkeit des Ausgangssignals aus dem Drosselstellungs-Sensor 28 darstellt.

Das Ausgangssignal des Drosselstellungs-Sensors 28 wird zu sätzlich als Eingang in ein Festraten-Nachlauffilter 38 mit fester Geschwindigkeit benutzt und zu Beginn in einem Tief paßfilter 40 mit einer Filterkonstanten T₂ gefiltert. Der Ausgang des Tiefpaßfilters 40 wird einem Summierblock 42 zu geleitet, der ein Nachlauffehlersignal 44 erzeugt, das durch Eingabe in einen Geschwindigkeitseinstellblock 46 und eine Integrierschaltung 48 in einen Rückkopplungspfad eingeleitet wird. Der Geschwindigkeitseinstellblock 46 addiert zu einem Nachlaufsignal 50 einen im voraus festgelegten Geschwindig keits- bzw. RATE-Wert, wenn der Nachlauffehler 44 positiv ist, und subtrahiert vom Nachlaufsignal 50 einen im voraus festgelegten RATE-Wert, wenn der Nachlauffehler 44 negativ ist. Das Nachlaufsignal 50 folgt daher dem Eingang in das Festraten-Nachlauffilter 38, aber seine Änderungsgeschwindig keit wird durch den im Geschwindigkeitseinstellblock 46 spe zifizierten RATE-Wert beschränkt. Das Nachlaufsignal 50 ist daher auf eine maximale Geschwindigkeitsänderung begrenzt, unabhängig davon, wie rasch sich der Eingang aus dem Drossel stellungs-Sensor 28 verändert. Die Differenz zwischen diesem Eingang und dem Nachlaufsignal 50 wird durch den Summierblock 42 berechnet, um den Nachlauffehler 44 zu erzeugen. Der Nach lauffehler 44 wird durch eine Verstärkung -G im Block 52 ver stärkt, um den Ausgang des Festraten-Nachlauffilters 38 zu erzeugen. Dieser Ausgang ist der Nachlauffehler 54.

Das differenzierte Drosselstellungssignal 36 und das Nach lauffehlersignal 54 werden in einem Summierblock 56 addiert, dessen Ausgang einer hysteretischen Vergleichsschaltung 58 als Eingang zugeleitet wird. Der Ausgang der hysteretischen Vergleichsschaltung 58 wird zum Aktivieren des Ventiltreibers 26 benutzt. Die Vergleichsschaltung 58 schließt das AGR-Ven til 22, wenn der Ausgang des Summierblocks 56 ihren oberen Schwellenwert übersteigt. Das AGR-Ventil 22 wird wiedergeöff net, wenn der Ausgang des Summierblocks 56 unter den unteren Schwellenwert der Vergleichsschaltung 58 abgesunken ist.

Es ist die Hauptaufgabe der Differenzierschaltung bzw. des lag-lead-kompensierten Filters 30, für ein unmittelbares An sprechen des AGR-Ventil 22 zu sorgen. Sobald eine Änderung im Ausgang des Drosselstellungs-Sensors 28 erkannt wird, erzeugt die Differenzierschaltung bzw. das Filter 30 einen Impuls im differenzierten Drosselstellungssignal 36, der bei genügender Größe das AGR-Ventil schließt. Es ist daher notwendig, daß das Tiefpaßfilter 32 den Ausgang des Drosselstellungs-Sensors 38 nur genügend filtert, um Geräusch zu beseitigen, aber nicht so viel, daß Gefahr besteht, einen Übergang im Ein gangssignal zu verfehlen. Die Verstärkung K wird zum Einstel len der Amplitude der Differenzierschaltung bzw. des Filters 30 auf eine gewünschte Auslösereaktion benutzt. Andererseits besteht die Hauptaufgabe des Festraten-Nachlauffilters 38 in der Zeitsteuerung. Die Geschwindigkeit, mit der der Nachlauf fehler 54 in seinen späteren Phasen absinkt, wird durch RATE bestimmt. Daher kann Geschwindigkeit zum Einstellen der Zeit benutzt werden, während der das AGR-Ventil 22 geschlossen ist. Die Verstärkung G wird zum Einstellen des Festraten- Nachlauffilters 38 auf das gewünschte Zeitverhalten benutzt. Weder die Differenzierschaltung in Form des Filters 30 noch das Nachlauffilter 38 ist in der Lage, das AGR-Ventil 22 in angemessener Weise unabhängig zu steuern. Wenn eines der Fil ter 30 und 38 allein benutzt wird, wird das AGR-Ventil 22 nicht immer wenn gewünscht betätigt, gelegentlich spricht es zu nicht gewünschten Zeiten an, und es werden durch den Motor 10 nicht akzeptable Abgasemissionen erzeugt. Jedoch ergänzen sich die beiden Filter 30 und 38 bei gemeinsamer Benutzung sehr gut. Die speziellen Aufgaben jedes Filters 30 und 38 verschaffen der Steuerungsanlage 24 unabhängig veränderliche Öffnungs- und Schließzeiten. Die Variablen der Differenzier schaltung 30 werden zum Einstellen des Ansprechverhaltens be nutzt, wogegen die Variablen des Nachlauffilters 38 zum Ein stellen der Schließzeiten benutzt werden. Die beiden Verstär kungsfaktoren - K und G - werden zum Skalieren der relativen Wirkung der beiden Filter 30 und 38 auf die Steuerungsanlage 24 benutzt. Eine weitere Einstellung der Steuerungsanlage 24 ist durch Justieren der oberen und unteren Schwellenwerte der hysteretischen Vergleichsschaltung 58 möglich.

Fig. 3A bis 3E zeigen verschiedene von der Steuerungsanlage 24 gemäß Fig. 2 erzeugte Wellenformen. In Fig. 3A ist der Ausgang des Drosselstellungs-Sensors 28 als sich zeitlich verändernde Spannung grafisch dargestellt. Es ist für den Fachmann einleuchtend, daß sich der Ausgang des Drosselstel lungs-Sensors 28 zwischen einem Leerlaufzustand und einem Vollastzustand entweder abrupt oder mit unterschiedlicher Flankensteilheit verändert.

Fig. 3B zeigt das differenzierte Drosselstellungssignal 36 als grafische Darstellung einer sich zeitlich verändernden Spannung. Das Signal 36 stellt die momentane Flankensteilheit des in Fig. 3A dargestellten Ausgangs des Drosselstellungs sensors 28 dar. Abrupte Übergänge im Ausgang des Drosselstel lungs-Sensors 28 erzeugen Spitzen im differenzierten Drossel stellungssignal 36, wogegen weiche Übergänge des Drosselstel lungs-Sensorsignals ein gleichbleibendes, differenziertes Drosselstellungssignal 36 ungleich Null erzeugen.

Fig. 3C zeigt den Ausgang 54 des Festraten-Nachlauffilters 38 als eine zeitlich veränderliche Spannung. Der Nachlauffehler 54 hat eine durch den Geschwindigkeitseinstellblock 46 be schränkte Übergangsgeschwindigkeit.

Fig. 3D zeigt das differenzierte Drosselstellungssignal 36, das zum Nachlauffehlersignal 54 hinzuaddiert ist, um das vom Summierblock 56 ausgegebene zusammengesetzte Signal zu erzeu gen. Es leuchtet dem Fachmann ein, daß, wenn das zusammenge setzte Signal den oberen Schwellenwert der hysteretischen Vergleichsschaltung 58 übersteigt, dies durch das differen zierte Drosselstellungssignal 36 hervorgerufen wird, wogegen das Absinken des zusammengesetzten Signals unter den unteren Schwellenwert der Vergleichsschaltung 58 durch die gesteuerte Abnahme des Nachlauffehlersignals 54 bestimmt wird.

Fig. 3E zeigt das Schließen und Öffnen des AGR-Ventils 22 in Abhängigkeit davon, ob das zusammengesetzte Signal gemäß Fig. 3D den oberen Schwellenwert übersteigt bzw. unter den unteren Schwellenwert absinkt. Es ist zu erkennen, daß der Ausgang der Differenzierschaltung bzw. des Filters 30 das Schließen des AGR-Ventils 22 veranlaßt, wogegen die Abfallzeitkonstante (PATE) im Festraten-Nachlauffilter 38 bestimmt, wie lange das AGR-Ventil 22 geschlossen bleibt. Die Differenzierschaltung 30 wird daher zur bestmöglichen Ansteuerung des AGR-Ventils 22 benutzt, wogegen das Nachlauffilter 38 zum Optimieren der Schließzeitsteuerung des AGR-Ventils 22 benutzt wird.

Bei der in Fig. 4 dargestellten zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen AGR-Steuerungsanlage 24 wird der Ausgang des Drosselstellungs-Sensors 28 in ein differenzierendes Fil ter 130 eingegeben, das einen Tiefpaß-Lag-Filter 1. Ordnung 132 mit einer Filterkonstanten T₁ umfaßt, dem ein Lead-Ver stärkungsblock 1. Ordnung 134 nachgeschaltet ist. Die Lead- Verstärkung ist durch K(2^KRANGE) definiert, worin K die grundlegende Lead-Verstärkung der Differenzierschaltung bzw. des Filters 130 ist und KRANGE den Bereich von K angibt. Der Ausgang der Differenzierschaltung bzw. des differenzierenden Filters 130 ist die differenzierte Drosselstellung 136. Diese zweite Ausführungsform der Steuerungsanlage 24 umfaßt ferner ein Festraten-Nachlauffilter 138, das ausgelegt ist, dem Fil tereingang mit einer im voraus festgelegten maximalen Ge schwindigkeit zu folgen und einen Nachlauffehlerausgang 154 zu erzeugen, welcher der Differenz zwischen dem Eingang und dem Nachlaufsignal proportional ist. Der Ausgang des Drossel stellungs-Sensors 28 wird einem Tiefpaß-Filter 1. Ordnung 140 mit einer Zeitkonstanten T₂ zugeleitet. Der Ausgang des Fil ters 140 ist die tatsächliche Drosselstellungs-Sensorspan nung. Diese Spannung wird dann durch den Summierblock 142 von der geschätzten Drosselstellungs-Sensorspannung des letzten Zyklus (EST_-1) abgezogen, um einen Nachlauffehler 144 zu er zeugen, der durch eine Verstärkung G in einem Block 152 ver stärkt wird, um den Nachlauffehler 154 zu erzeugen, welcher der Ausgang des Festraten-Nachlauffilters 138 ist.

Die geschätzte Drosselstellungs-Sensorspannung des letzten Zyklus (EST_-1) wird auf eine von zwei Weisen berechnet, ab hängig davon, ob der Nachlauffehler 144 vom Block 146 als positiv oder als nicht positiv bestimmt wird. Bei der zweiten Ausführungsform folgt das Festraten-Nachlauffilter 138 mit beschränkter Geschwindigkeit nur positiven Nachlauffehlern 144. Grund hierfür ist, daß negative Nachlauffehler 144 nur bei Verzögerung erzeugt werden und keine Auswirkung auf die AGR-Steuerung haben. Ferner würde ein Nachlaufen mit be schränkter Geschwindigkeit bei negativen Fehlern die Steue rungsanlage 24 beim Übergang von Verzögerung auf Beschleuni gung unnötigerweise verlangsamen, weil die Nachlaufgeschwin digkeit geschwindigkeitsbeschränkt während des negativen Teils des Übergangs wäre, wenn durch diese Beschränkung kein Vorteil erzielt wird. Weil das Festraten-Nachlauffilter 138 die Nachlaufgeschwindigkeit nur bei positiven Nachlauffehlern beschränkt, wird, wenn der Nachlauffehler 144 nicht positiv ist, ein Schalter 147 in seine obere Stellung umgelegt, und EST_-1 wird mit der tatsächlichen Drosselstellungs-Sensorspan nung ausgeglichen. Wenn andererseits der Nachlauffehler 144 positiv ist, wird PATE in einem Summierblock 148 von der ge schätzten Drosselstellungs-Sensorspannung des letzten Schlei fendurchlaufs (EST_-1) abgezogen, um die geschätzte Drossel stellungs-Sensorspannung des aktuellen Schleifendurchlaufs (EST₀) zu generieren. In diesem Zustand ist der Schalter 147 in seine untere Stellung umgelegt. Die bei EST_-1 angewandte Nachlaufgeschwindigkeit ist davon abhängig, ob das AGR-Ventil 22 geöffnet oder geschlossen ist. Wie das AGR-Ventil 22 ge öffnet ist, wie durch den Ausgang des Ventiltreibers 26 ange geben, ist ein Schalter 150 in seine obere Stellung umgelegt. In dieser Stellung wird dem Summierblock 148 eine Grundge schwindigkeit zugeleitet, die von EST_-1 abzuziehen ist. Bei geschlossenem AGR-Ventil 22 wird die größere Nachlaufge schwindigkeit benutzt, und der Schalter 150 wird in seine untere Stellung umgelegt. In diesem Falle wird zu der Grund geschwindigkeit (base rate) ein Geschwindigkeitsversatz (rate offset) durch einen Summierblock 151 addiert, und der Ausgang des Summierblocks 151 wird dann dem Summierblock 148 zugelei tet, um von EST_-1 abgezogen zu werden.

Der übrige Teil der zweiten Ausführungsform der Steuerungsan lage 24 gemäß Fig. 4 arbeitet in identischer Weise mit der Steuerungsanlage 24 der ersten Ausführungsform gemäß Fig. 2. Das differenzierte Drosselstellungssignal 136 wird mit dem Nachlauffehler 144 im Summierblock 156 addiert, dessen Aus gang einer hysteretischen Vergleichsschaltung 158 zugeleitet wird, die zum Ansteuern des Ventiltreibers 26 benutzt wird. Die Steuerungsanlage 24 der zweiten Ausführungsform gemäß Fig. 4 sieht daher zwei parallele Filter vor: ein Differen zierfilter 130 und ein in bezug auf Ventilstellung und Dros selrichtung kompensiertes Rate-Nachlauffilter 138. Das erst genannte Filter 130 ist eine lag-lead-kompensierte Differen zierschaltung, die ein Signal abgibt, das sich im wesentli chen auf die momentane Änderungsgeschwindigkeit des Drossel stellungs-Sensorsignals bezogen ist. Der Hauptzweck der Dif ferenzierschaltung bzw. des Filters 130 ist es, für ein au genblickliches Ansprechen des AGR-Ventils 22 zu sorgen. Das an zweiter Stelle genannte Filter 138 ist ein komplexeres Rate-Nachlauffilter. Es bestimmt ein geschätztes Drossel stellungs-Sensorsignal, welches dem tatsächlichen Drossel stellungs-Sensorsignal mit zeitlichem Nachlauf folgt, aber sich nur mit einer vorgegebenen maximalen Geschwindigkeit ändern kann. Der Ausgang des Filters 138 ist der Fehler zwi schen dem geschätzten und dem tatsächlichen Drosselstellungs- Sensorsignal. Die Geschwindigkeit, die benutzt wird, um dem tatsächlichen Drosselstellungs-Sensorsignal zu folgen, ist von der aktuellen AGR-Ventilstellung (geöffnet oder geschlos sen) abhängig. Der Nachlauf geschieht nur in einer Richtung insoweit, als der Festraten-Nachlauf nur bei Drosselbewegun gen angewandt wird, die eine Fahrzeugbeschleunigung bedeuten. Drosselbewegungen, die eine Fahrzeugverzögerung zur Folge haben, erzeugen ein geschätztes Drosselstellungs-Sensorsi gnal, das dem tatsächlichen Drosselstellungs-Sensorsignal gleich ist. Das Filter 138 hat als Hauptaufgabe die Steuerung der Zeit, während der das AGR-Ventil 22 geschlossen bleibt.

Die Ausgänge der Filter 130 und 138 werden summiert und der hysteretischen Vergleichsschaltung 158 zugeleitet, die ein digitales Ausgangssignal zum Öffnen oder Schließen des AGR- Ventils 22 erzeugt. Bei stabiler Drosselstellung ist der Aus gang dieser Filterkombination Null, und das AGR-Ventil 22 ist geöffnet. Während negativer Übergänge des Drosselstellungs sensors (Beschleunigung), nimmt der Ausgang entsprechend der Geschwindigkeit und der Amplitude der Drosselstellungsände rung zu. Somit schließt die Vergleichsschaltung 158 das AGR- Ventil 22 während ausreichend großer negativer Drosselüber gänge.

In Fig. 5 sind mehrere durch die Steuerungsanlage 24 gemäß Fig. 4 erzeugte Wellenformen als zeitlich veränderliche Span nungen aufgezeichnet. Die Wellenform 160 ist der Ausgang des Drosselstellungs-Sensors 28. Die Wellenform 162 stellt den Ausgang des Summierblocks 156 dar. Für den Fachmann ist es einleuchtend, daß die Wellenform 162 nur dann ungleich Null ist, wenn die Wellenform 160 absteigt (was eine Beschleuni gung des Motors angibt). Die Wellenform 164 stellt den Aus gang der hysteretischen Vergleichsschaltung 158 dar. Die Wel lenform 164 öffnet das AGR-Ventil 22, wenn der Filterausgang bzw. die Wellenform 162 im wesentlichen null ist, und schließt das AGR-Ventil 22, wenn der Filterausgang 162 den oberen Schwellenwert der Vergleichsschaltung 158 übersteigt, der in der Darstellung der Fig. 5 etwa 1 V beträgt. Die Wel lenformen der Fig. 5 wurden an einem 130-kW-Cummins-Motor der Serie B erzeugt, der mit der Steuerungsanlage 24 gemäß Fig. 4 betrieben wurde.

Die erfindungsgemäße Steuerungsanlage wurde im Zusammenhang mit der Abgasrückführungssteuerung in einer Verbrennungs kraftmaschine erläutert. Die Erfindung ist gleichermaßen auf die Steuerung eines beliebigen Systems oder Anlage anwendbar, bei dem bzw. der die Ansteuerung und das Zeitverhalten einer Vorrichtung auf der Grundlage der Veränderungen eines Ein gangssignals gesteuert werden sollen.

Claims

1. Steuerungsanlage (24), die ein Eingangssignal zu empfan gen und ein Anlagenausgangssignal zu erzeugen vermag, gekennzeichnet durch

- einen ersten Signalprozessor, der ausgehend von einer Änderungsgeschwindigkeit des Eingangssignals ein erstes Si gnalprozessor-Ausgangssignal zu erzeugen vermag,
- einen zweiten Signalprozessor, der ein Nachlaufsignal (50), das dem Eingangssignal zeitlich folgt und eine vorbe stimmte maximale Änderungsgeschwindigkeit nicht übersteigt, und ein zweites Signalprozessor-Ausgangssignal zu erzeugen vermag, das gleich einer Differenz zwischen dem Eingangssi gnal und dem Nachlaufsignal ist, und dadurch, daß
- das Anlagenausgangssignal eine Summierung des ersten und des zweiten Signalprozessor-Ausgangssignals umfaßt.

2. Steuerungsanlage (24) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Signalprozessor ein differenzierendes Filter um faßt.

3. Steuerungsanlage (24) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Signalprozessor ein Festraten-Nachlauffilter (38) umfaßt.

4. Steuerungsanlage (24) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Signalprozessor das Nachlaufsignal (50) mit dem Eingangssignal vergleicht und

- das Nachlaufsignal (50) um einen im voraus festgelegten ersten Betrag vergrößert, wenn es kleiner als das Eingangs signal ist, und
- das Nachlaufsignal (50) um einen im voraus festgelegten zweiten Betrag verkleinert, wenn es größer als das Eingangs signal ist.

5. Steuerungsanlage (24) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Anlagenausgangssignal an eine hysteretische Vergleichs schaltung (58) gelegt wird.

6. Abgasrückführungs-Steuerungsanlage (24) für eine Ver brennungskraftmaschine (10), gekennzeichnet, durch

- einen Eingangsanschluß zum Empfangen eines einen Motor betriebsparameter angebenden Eingangssignals,
- einen ersten Signalprozessor, der mit dem Eingangsan schluß betriebsmäßig verbunden ist und ein erstes signalpro zessor-Ausgangssignal ausgehend von einer Änderungsgeschwin digkeit des Eingangssignals zu erzeugen vermag,
- einen zweiten Signalprozessor, der ein Nachlaufsignal, welches dem Eingangssignal zeitlich folgt und eine vorbe stimmte maximale Änderungsgeschwindigkeit nicht übersteigt, und ferner ein zweites Signalprozessor-Ausgangssignal zu er zeugen vermag, das gleich einer Differenz zwischen dem Ein gangssignal und dem Nachlaufsignal ist,
- einen Ausgangsanschluß, der mit dem ersten und dem zwei ten Signalprozessor und einem Abgasrückführungs-Ventil (22) betriebsmäßig verbunden ist und ein Anlagenausgangssignal an das Abgasrückführungs-Ventil (22) abzugeben vermag, und dadurch, daß
- das Anlagenausgangssignal eine Summierung des ersten und des zweiten Signalprozessor-Ausgangssignals umfaßt.

7. Abgasrückführungs-Steuerungsanlage (24) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangssignal ein Drosselstellungs-Sensorausgang ist.

8. Abgasrückführungs-Steuerungsanlage (24) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal das Abgasrückführungs-Ventil (22) öffnet und schließt.

9. Abgasrückführungs-Steuerungsanlage (24) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schaltung ein differenzierendes Filter (30) umfaßt.

10. Abgasrückführungs-Steuerungsanlage (24) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schaltung ein Festraten-Nachlauffilter (38) um faßt.

11. Abgasrückführungs-Steuerungsanlage (24) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal dem Abgasrückführungs-Steuerventil (22) über eine hysteretische Vergleichsschaltung (58) zugeleitet wird.

12. Abgasrückführungs-Steuerungsanlage (24) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Signalprozessor das Nachlaufsignal mit dem Ein gangssignal vergleicht, und

- das Nachlaufsignal um einen im voraus festgelegten er sten Betrag vergrößert, wenn es kleiner als das Eingangssi gnal ist, und
- das Nachlaufsignal um einen im voraus festgelegten zwei ten Betrag verkleinert, wenn es größer als das Eingangssignal ist.

13. Verbrennungskraftmaschine (10) mit Abgasrückführung, gekennzeichnet durch

- einen Luftansaugweg (12),
- einen Ausstoßweg (14),
- wenigstens eine Brennkammer, die mit dem Luftansaugweg (12) und dem Ausstoßweg (14) verbunden ist,
- ein Abgasrückführungs-Steuerventil (22), das nach Wahl den Ausstoßweg (14) mit dem Luftansaugweg (12) zu verbinden vermag,
- eine Steueranlage (24), die mit dem Abgasrückführungs steuerventil (22) verbunden ist, wobei die Steueranlage (24) umfaßt:
- einen Eingangsanschluß zum Empfangen eines einen Motorbetriebsparameter angebenden Eingangssignals,
- einen ersten Signalprozessor, der mit dem Eingangs anschluß betriebsmäßig verbunden ist und ausgehend von einer Änderungsgeschwindigkeit des Eingangssignals ein erstes Signalprozessor-Ausgangssignal zu erzeugen ver mag,
- einen zweiten Signalprozessor, der ein Nachlaufsig nal, das dem Eingangssignal zeitlich folgt und eine vorbestimmte maximale Änderungsgeschwindigkeit nicht übersteigt, und ferner ein zweites Signalprozessor-Aus gangssignal zu erzeugen vermag, das gleich einer Diffe renz zwischen dem Eingangssignal und dem Nachlaufsignal ist,
- einen Ausgangsanschluß, der mit dem ersten und dem zweiten Signalprozessor betriebsmäßig verbunden ist und ein Anlagenausgangssignal an das Abgasrückführungs-Ven til (22) zu legen vermag,

und dadurch, daß

14. Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangssignal ein Ausgang eines Drosselstellungs-Sensors (28) ist.

15. Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal das Abgasrückführungs-Ventil (22) öffnet und schließt.

16. Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Signalprozessor ein differenzierendes Filter (30) umfaßt.

17. Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Signalprozessor ein Festraten-Nachlauffilter (38) umfaßt.

18. Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal dem Abgasrückführungs-Steuerventil (22) über eine hysteretische Vergleichsschaltung (58) zugeleitet wird.

19. Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Signalprozessor (38) das Nachlaufsignal mit dem Eingangssignal vergleicht, und

20. Verfahren zum Steuern einer Vorrichtung, mit den Schrit ten:

a) Empfangen eines Eingangssignals,
b) Generieren eines ersten Ausgangssignals ausgehend von einer Änderungsgeschwindigkeit des Eingangssignals,
c) Generieren eines Nachlaufsignals, das dem Eingangssignal zeitlich folgt und eine vorbestimmte maximale Änderungsge schwindigkeit nicht übersteigt,
d) Generieren eines zweiten Ausgangssignals, das gleich einer Differenz zwischen dem Eingangssignal und dem Nachlauf signal ist,
e) Summieren des ersten und des zweiten Ausgangssignals zum Erzeugen eines zusammengesetzten Ausgangssignals, und
f) Anlegen des zusammengesetzten Ausgangssignals an die Vorrichtung.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (b) ferner die Schritte umfaßt
(b.1) Tiefpaßfiltern des Eingangssignals und
(b.2) Verstärken des gefilterten Eingangssignals.

22. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (c) ferner die Schritte umfaßt
(c.1) Generieren eines Nachlaufsignals,
(c.2) Vergrößern des Nachlaufsignals um einen im voraus festgelegten ersten Betrag, wenn es kleiner als das Eingangs signal ist, und
(c.3) Verkleinern des Nachlaufsignals um einen im voraus festgelegten zweiten Betrag, wenn es größer als das Eingangs signal ist.

23. Verfahren zum Steuern eines Abgasrückführungs-Ventils an einer Verbrennungskraftmaschine, mit den Schritten:

a) Empfangen eines einen Motorbetriebsparameter angebenden Eingangssignals,
b) Generieren eines ersten Ausgangssignals ausgehend von einer Änderungsgeschwindigkeit des Eingangssignals,
c) Generieren eines Nachlaufsignals, das dem Eingangssignal zeitlich folgt und eine vorbestimmte maximale Änderungsge schwindigkeit nicht übersteigt,
d) Generieren eines zweiten Ausgangssignals, das gleich einer Differenz zwischen dem Eingangssignal und dem Nachlauf signal ist,
e) Summieren des ersten und des zweiten Ausgangssignals zum Erzeugen eines zusammengesetzten Ausgangssignals, und
f) Anlegen des zusammengesetzten Ausgangssignals an das Ab gasrückführungs-Ventil.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (a) das Empfangen eines die Drosselstellung an gebenden Eingangssignals umfaßt.

25. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (f) das Abgasrückführungs-Ventil öffnet und schließt.

26. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß

- das erste Ausgangssignal das Abgasrückführungs-Ventil schließt und
- das zweite Ausgangssignal bestimmt, wie lange das Abgas rückführungs-Ventil geschlossen bleibt.

27. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (b) ferner die Schritte umfaßt:
(b.1) Tiefpaßfiltern des Eingangssignals, und
(b.2) Verstärken des gefilterten Eingangssignals.

28. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (c) ferner die Schritte umfaßt
(c.1) Generieren eines Nachfolgesignals,
(c.2) Vergrößern des Nachfolgesignals um einen im voraus festgelegten ersten Betrag, wenn es kleiner als das Eingangs signal ist, und
(c.3) Verkleinern des Nachlaufsignals um einen im voraus festgelegten zweiten Betrag, wenn es größer als das Eingangs signal ist.