DE19612739B4

DE19612739B4 - Abgasrückführungs-Steuerungsanlage, Verbrennungskraftmaschine sowie Verfahren hierfür

Info

Publication number: DE19612739B4
Application number: DE19612739A
Authority: DE
Inventors: Vincent P. Socci; Ross C. Nashville Berryhill; Eric K. Columbus Bradley; Charles R. Columbus Schenk
Original assignee: Cummins Inc
Current assignee: Cummins Inc
Priority date: 1995-03-30
Filing date: 1996-03-29
Publication date: 2004-10-07
Anticipated expiration: 2016-03-30
Also published as: JPH08296507A; DE19612739A1; GB2299417A; GB9606773D0; GB2299417B; US5533489A

Abstract

Steuerungsanlage (24) für die Abgasrückführung (AGR) einer Verbrennungskraftmaschine (10), insbesondere eines Kraftfahrzeugmotors, mit einem ersten Signalprozessor (30), der aus der Änderungsgeschwindigkeit eines einen Betriebsparameter darstellenden Eingangssignals ein erstes Signalprozessor-Ausgangssignal (36) zu erzeugen vermag, gekennzeichnet durch
einen zweiten Signalprozessor (38), der ein Nachlaufsignal (50), das dem Eingangssignal zeitlich folgt und eine vorbestimmte maximale Änderungsgeschwindigkeit nicht übersteigt, und ein zweites Signalprozessor-Ausgangssignal (54) zu erzeugen vermag, das gleich der Differenz zwischen dem Eingangssignal und dem Nachlaufsignal (50) ist,
durch einen Summierblock (56), der aus einer Summierung des ersten Signalprozessor-Ausgangssignals (36) und des zweiten Signalprozessor-Ausgangssignals (54) ein Anlagenausgangssignal erzeugt, und
einen Ausgangsanschluss, der mit einem Abgasrückführungs-Ventil (22) betriebsmäßig verbunden ist und das Anlagenausgangssignal an das Abgasrückführungs-Ventil (22) abzugeben vermag.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasrückführungs-Steuerungsanlage und ein Abgasrückführungs-Steuerungsverfahren für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für einen in Kraftfahrzeugmotor, mit Abgasrückführung vom Auslasskrümmer zum Einlasskrümmer.
Es ist allgemein anerkannt, dass die Erzeugung von umweltverschmutzenden giftigen Stickstoffoxiden (NO_x) unerwünscht ist und in vielen Fällen Beschränkungen aus von Gemeinden, Ländern 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 gehalten wird.
Nach allgemeinem Verständnis wird das Vorhandensein von NO_x in den Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen durch die Verbrennungstemperatur und den Verbrennungsdruck bestimmt. Eine Erhöhung der Verbrennungstemperatur führt zu einer Vergrößerung der NO_x-Menge in den Motorabgasen. Die Verbrennungstemperatur ist daher so zu steuern, dass die NO_x-Menge in den Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine begrenzt wird.
Ein im Stand der Technik angewandtes Verfahren zum Begrenzen und Steuerung der Verbrennungstemperatur bestand darin, einen Teil des Abgases wieder in den Motorluftansaugkrümmer zu leiten (sogenannte Abgasrückführung oder AGR). Weil die Abgase eine höhere spezifische Wärme aufweisen, verbrennt das Verbrennungsgemisch bei einer niedrigeren Temperatur. Diese reduziert wiederum das bei der Verbrennung erzeugte NO_x.
Bis die durch Abgasemissionen verursachten Schwierigkeiten allgemein erkannt wurden, war es übliche Praxis, eine Verbrennungskraftmaschine mit oder nahe einer Zündverstellung zu betreiben, die maximale Verbrennungsspitzendrücke erzeugt. Wenn jedoch der Motor mit solchen Zündverstellungen betrieben wird, die einen maximalen Verbrennungspitzendruck erzeugen, werden in den Brennkammern unglücklicherweise nicht akzeptierbare große NO_x-Mengen erzeugt. Um die Bildung und Emission von NO_x zu verhindern, muss daher der Verbrennungsspitzendruck auf einen gewählten Wert begrenzt werden.
Im Stand der Technik wurde die AGR zur Begrenzung des Verbrennungsdrucks 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 inertem N₂, H₂O und CO₂ verdünnt wird. Die molare spezifische Wärme dieser Gase (insbesondere des CO₂) absorbiert in erheblichem Maße Wärmeenergie, so dass Prozeßspitzentemperaturen und/oder -drücke auf ein Niveaus gesenkt werden, die der Reduzierung der NO_x-Bildung förderlich sind.
Es ist bekannt, dass die Bildung von NO_x mit der Zunahme des AGR-Stromes auf einen Wert, der etwa 20% der Abgasbestandteile darstellt, abnimmt, aber auch, dass mit diesem eine Verschlechterung der Motorleistung einhergeht, einschließlich einer Verschlechterung der Motorlaufruhe, und eine 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 bewirkten 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 eine "unvollständige Verbrennung" verursacht, 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 veränderlichen Motorbetriebsbedingungen hat sich im Stand der Technik als komplexe und schwierige Aufgabe herausgestellt. Die meisten herkömmlichen Steuerungsanlagen benutzen wenigstens zwei über Sensoren ermittelte Motorparameter als Eingänge in die AGR-Steuerung. Beispielsweise werden gemäss der US-Patentschrift 4,224,912 (Tanaka) sowohl. die Motordrehzahl als auch die angesaugte Luftmenge als Steuergrößen benutzt. Gemäss der US-Patentschrift 4,142,493 (Schira et al) werden entweder Motordrehzahl und absoluter Krümmerdruck oder Motordrehzahl und Drosselklappenstellung benutzt. Gemäss der US-Patentschrift 4,174,027 (Nakazumi) werden als Eingangsvariab len der Steuerungsanlage sowohl die Kupplungsbetätigung als auch die Drosselklappenöffnung ermittelt.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 36 28 628 A1 ist eine Abgasrückführungs-Steuerungsanlage bekannt, die aus ermittelten Eingangssignalen ein Steuerungssignal für die Steuerungsanlage erzeugt. Zur Adaption der Gemischsteuerung bei Brennkraftmaschinen wird neben der Drehzahl des Motors der Drosselklappenstellungswinkel als Eingangssignal zu einem für die zuzuführende oder einzuspritzende Kraftstoffmenge maßgebenden Vorsteuersignal verarbeitet, die durch mindestens eine veränderbare Korrekturgröße beeinflusst wird. Die negative Änderungsgeschwindigkeit des Drosselklappenstellungswinkels wird erfasst und mit einem Schwellenwert verglichen. Bei Überschreiten dieses Schwellenwerts wird eine das Ausmaß der Drosselklappenänderung angebende Größe ausgewertet. Bei Überschreiten eines zugeordneten Schwellenwerts wird auch bei dieser Größe die Gemischadaption im Vorsteuerbereich für einen vorgegebenen Zweitraum verboten. Der Steuerungsablauf wird von einem Mikroprozessor realisiert.

Eine Steuereinrichtung für einen Verbrennungsmotor, insbesondere eine Steueranlage für eine Abgasrückführung, ist in der deutschen Offenlegungsschrift DE 30 01 965 A1 beschrieben. Neben anderen Betriebsgrößen wird dort die Winkelstellung der Drosselklappe als Eingangssignal einem Mikrocomputer zugeführt, der daraus eine Steuergröße für die Abgasrückführung berechnet.

Aus einem Aufsatz von Andreas Laudenbach und Manfred Glesner in "VLSI System Design for Automotive Control" in IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 27, 7, July 1992 ergibt sich, dass es für die Entwicklung von Steuerungsanlagen für Brennkraftmaschinen bekannt ist, Signalprozessoren (d.h. speziell für die Signalverarbeitung vorgesehene Mikroprozessoren) bei derartigen Steuerungsanlagen einzusetzen.

Alle diese Verfahren fordern die Überwachung mehrerer Motorparameter, was einen erheblichen Einfluss auf die Kosten haben kann, wenn die ermittelten Signale nicht schon innerhalb des Motors zur Verfügung stehen. Es ist daher wünschenswert, die AGR mit einem einzigen überwachten Motorparameter als Eingangssignal der Steuerungsanlage zu steuern, um die Komplexität der Steuerungsanlage zu verringern 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 unterscheiden sich von Ottomotoren in vielerlei Hinsicht, u.a. dadurch, dass der Dieselmotor über keinen ventil- oder drosselklappengesteuerten Ansaugkrümmer verfügt, in den die Verbrennungsluft über Drossel und Ventil angesaugt wird. Folglich ist der in der Ansaugleitung eines Dieselmotors herrschende Unterdruck allenfalls gering. Daher ist die durch den Ansaugkrümmer eines Ottomotors gebildete Unterdruckquelle bei einem Dieselmotor nicht vorhanden. Folglich funktioniert eine Steuerungsanlage, die aus dem Ansaugunterdruck ein Eingangsignal gewinnt, nicht bei einem Dieselmotor einsetzbar.

Bei einem Dieselmotor wird die Motordrehzahl unter einer bestimmten Last über die Kraftstoffmenge gesteuert, die in die Motorbrennkammern eingespritzt wird, und folglich wird als "Drossel" des Dieselmotors das Gas- bzw. Fußpedal betrachtet, das über ein Gestänge mit einer Kraftstoffpumpe zur Versor gung der Kraftstoffeinspritzorgane des Motors verbunden ist. Das fußbetätigte Pedal wird zum Regeln der von der Kraftstoffpumpe an die Brennkammern des Motors abgegebenen Kraftstoffmenge betätigt und steuert so die Motordrehzahl unter einer bestimmten Last. Weil die in die Brennkammer eingespritzte Kraftstoffmenge variiert, verändert sich die NO_xErzeugung in Abhängigkeit von der Drosseleinstellung. Somit ist es theoretisch möglich, die AGR in einem Dieselmotor nur unter Benutzung der Drosselstellung als Eingang in die Steuerungsanlage zu steuern.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 31 18 425 A1 ist eine Einrichtung zum Erfassen der den Brennräumen eines Dieselmotors zugeführten Kraftstoffmenge bekannt, bei der Beginn und Ende der Einspritzung aus dem Verlauf nur eines Signals bestimmt wird. Es wird die Änderungsgeschwindigkeit des Eingangssignals bestimmt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine AGR-Steuerungsanlage sowie ein Verfahren zum Steuern der Abgasrückführung (AGR) zu schaffen, die als Eingang in die Steuerungsanlage nur die Drosselstellung benutzt. Eine solche Steuerungsanlage und ein solchen Steuerungsverfahren sollen in einem Dieselmotor verwendbar sein.

AGR-Steuerungsanlagen für Verbrennungskraftmaschinen sowie ein Verfahren zum Steuern der Abgasrückführung (AGR), die diese Aufgabe lösen, sind mit ihren Ausgestaltungen in den Patentansprüchen angegeben.

Gemäss der Erfindung wird bei einer Steuerungsanlage zum Steuern der Abgasrückführung (AGR) in einer Verbrennungskraftmaschine und einem Verfahren zum Steuern der Abgasrück führung (ARG) als Eingang in zwei parallele Filter der Ausgang eines Drosselstellungs-Sensors benutzt. Das erste Filter ist ein lag-lead-kompensiertes Filter, das als Differenziereinrichtung wirkt, die einen der momentanen Geschwindigkeit der Drosselstellungsänderung proportionales Ausgangssignal erzeugt. Das zweite Filter ist ein Festraten-Nachlauffilter mit fester Rate bzw. Geschwindigkeit, das ein dem Eingangssignal folgendes Nachlaufsignal generiert. Jedoch kann sich das Nachlaufsignal nicht mit mehr als einer vorbestimmten maximalen Geschwindigkeit 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-Ventil schließt, wenn die Summe einen oberen Schwellenwert übersteigt, und es wieder öffnet, wenn die Summe unter einen unteren 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 Bestimmung verantwortlich, wie lange das AGR-Ventil geschlossen bleibt.

Mehrer Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
1 ein Blockschaltbild einer Verbrennungskraftmaschine, eines AGR-Ventils und einer erfindungsgemäßen Steuerungsanlage,
2 ein Blockschaltbild einer Steuerungsanlage gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
3A bis 3E Spannungs-Zeit-Diagramme für verschiedene Signale in der Steuerungsanlage gemäß 2,
4 ein Blockschaltbild einer Steuerungsanlage gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, und
5 ein Spannungs-Zeit-Diagramm für mehrere Signale in der Steuerungsanlage gemäß 4.
Bei der in 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 Auslaßkrümmer 14 zum Ansaugkrümmer 12 strömen, wo sie vor der Verbrennung im Motor 10 mit Ansaugluft vermischt werden. Bei geschlossenem AGR-Ventil 22 werden keine Abgase in den Ansaugkrümmer 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 Ventiltreiber 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 Abgasrückführung eine nicht akzeptierbar nachteilige Wirkung auf die Leistung des Motors 10 hätte. Die Steuerungsanlage 24 geht bei der Bestimmung der AGR-Ventilstellung allein vom Eingang vom Drosselstellungs-Sensor 28 aus.
2 zeigt mit näheren Einzelheiten eine erste Ausführungsform der Steuerungsanlage 24. Der Drosselstellungs-Sensor 28 erzeugt an seinem Ausgang eine analoge Spannung, die der Stellung der Motordrossel proportional ist. Solche Drosselstellungs-Sensoren sind in der Fachwelt bekannt. Die Ausgangsspannung des Drosselstellungs-Sensors 28 wird in ein lag-lead-kompensiertes Filter 30 eingegeben, das als Differenzierschaltung wirkt. Das Filter 30 hat sowohl ein Tiefpaßfilter 32 mit einer Filterkonstanten T₁ als auch ein differenzierendes 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 zusätzlich als Eingang in ein Festraten-Nachlauffilter 38 mit fester Geschwindigkeit benutzt und zu Beginn in einem Tiefpaßfilter 40 mit einer Filterkonstanten T₂ gefiltert. Der Ausgang des Tiefpaßfilters 40 wird einem Summierblock 42 zugeleitet, 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 Geschwindigkeits- 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 Änderungsgeschwindigkeit wird durch den im Geschwindigkeitseinstellblock 46 spezifizierten RATE-Wert beschränkt. Das Nachlaufsignal 50 ist daher auf eine maximale Geschwindigkeitsänderung begrenzt, unabhängig davon, wie rasch sich der Eingang aus dem Drosselstellungs-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 Nachlauffehler 44 wird durch eine Verstärkung –G im Block 52 verstärkt, um den Ausgang des Festraten-Nachlauffilters 38 zu erzeugen. Dieser Ausgang ist der Nachlauffehler 54.
Das differenzierte Drosselstellungssignal 36 und das Nachlauffehlersignal 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-Ventil 22, wenn der Ausgang des Summierblocks 56 ihren oberen Schwellenwert übersteigt. Das AGR-Ventil 22 wird wiedergeöffnet, 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 Ansprechen 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 Eingangssignal zu verfehlen. Die Verstärkung K wird zum Einstellen 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 Nachlauffehler 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 Filter 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 Differenzierschaltung 30 werden zum Einstellen des Ansprechverhaltens benutzt, wogegen die Variablen des Nachlauffilters 38 zum Einstellen der Schließzeiten benutzt werden. Die beiden Verstärkungsfaktoren – 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.
3A bis 3E zeigen verschiedene von der Steuerungsanlage 24 gemäß 2 erzeugte Wellenformen. In 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 Drosselstellungs-Sensors 28 zwischen einem Leerlaufzustand und einem Vollastzustand entweder abrupt oder mit unterschiedlicher Flankensteilheit verändert.
3B zeigt das differenzierte Drosselstellungssignal 36 als grafische Darstellung einer sich zeitlich verändernden Spannung. Das Signal 36 stellt die momentane Flankensteilheit des in 3A dargestellten Ausgangs des Drosselstellungs-Sensors 28 dar. Abrupte Übergänge im Ausgang des Drosselstellungs-Sensors 28 erzeugen Spitzen im differenzierten Drosselstellungssignal 36, wogegen weiche Übergänge des Drosselstellungs-Sensorsignals ein gleichbleibendes, differenziertes Drosselstellungssignal 36 ungleich Null erzeugen.
3C zeigt den Ausgang 54 des Festraten-Nachlauffilters 38 als eine zeitlich veränderliche Spannung. Der Nachlauffehler 54 hat eine durch den Geschwindigkeitseinstellblock 46 beschränkte Übergangsgeschwindigkeit.
3D zeigt das differenzierte Drosselstellungssignal 36, das zum Nachlauffehlersignal 54 hinzuaddiert ist, um das vom Summierblock 56 ausgegebene zusammengesetzte Signal zu erzeugen. Es leuchtet dem Fachmann ein, daß, wenn das zusammengesetzte Signal den oberen Schwellenwert der hysteretischen Vergleichsschaltung 58 übersteigt, dies durch das differenzierte 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.
3E zeigt das Schließen und Öffnen des AGR-Ventils 22 in Abhängigkeit davon, ob das zusammengesetzte Signal gemäß 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 (RATE) 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 4 dargestellten zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen AGR-Steuerungsanlage 24 wird der Ausgang des Drosselstellungs-Sensors 28 in ein differenzierendes Filter 130 eingegeben, das einen Tiefpaß-Lag-Filter 1. Ordnung 132 mit einer Filterkonstanten T₁ umfaßt, dem ein Lead-Verstärkungsblock 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 Filtereingang mit einer im voraus festgelegten maximalen Geschwindigkeit zu folgen und einen Nachlauffehlerausgang 154 zu erzeugen, welcher der Differenz zwischen dem Eingang und dem Nachlaufsignal proportional ist. Der Ausgang des Drosselstellungs-Sensors 28 wird einem Tiefpaß-Filter 1. Ordnung 140 mit einer Zeitkonstanten T₂ zugeleitet. Der Ausgang des Filters 140 ist die tatsächliche Drosselstellungs-Sensorspannung. Diese Spannung wird dann durch den Summierblock 142 von der geschätzten Drosselstellungs-Sensorspannung des letzten Zyklus (EST_–1) abgezogen, um einen Nachlauffehler 144 zu erzeugen, der durch eine Verstärkung G in einem Block 152 verstärkt 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, abhängig 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 beschränkter Geschwindigkeit bei negativen Fehlern die Steuerungsanlage 24 beim Übergang von Verzögerung auf Beschleunigung unnötigerweise verlangsamen, weil die Nachlaufgeschwindigkeit 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-Sensorspannung ausgeglichen. Wenn andererseits der Nachlauffehler 144 positiv ist, wird RATE in einem Summierblock 148 von der geschätzten Drosselstellungs-Sensorspannung des letzten Schleifendurchlaufs (EST_–1) abgezogen, um die geschätzte Drosselstellungs-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 geöffnet ist, wie durch den Ausgang des Ventiltreibers 26 angegeben, ist ein Schalter 150 in seine obere Stellung umgelegt. In dieser Stellung wird dem Summierblock 148 eine Grundgeschwindigkeit zugeleitet, die von EST_–1 abzuziehen ist. Bei geschlossenem AGR-Ventil 22 wird die größere Nachlaufgeschwindigkeit benutzt, und der Schalter 150 wird in seine untere Stellung umgelegt. In diesem Falle wird zu der Grundgeschwindigkeit (base rate) ein Geschwindigkeitsversatz (rate offset) durch einen Summierblock 151 addiert, und der Ausgang des Summierblocks 151 wird dann dem Summierblock 148 zugeleitet, um von EST_–1 abgezogen zu werden.
Der übrige Teil der zweiten Ausführungsform der Steuerungsanlage 24 gemäß 4 arbeitet in identischer Weise mit der Steuerungsanlage 24 der ersten Ausführungsform gemäß 2. Das differenzierte Drosselstellungssignal 136 wird mit dem Nachlauffehler 144 im Summierblock 156 addiert, dessen Ausgang einer hysteretischen Vergleichsschaltung 158 zugeleitet wird, die zum Ansteuern des Ventiltreibers 26 benutzt wird. Die Steuerungsanlage 24 der zweiten Ausführungsform gemäß 4 sieht daher zwei parallele Filter vor: ein Differenzierfilter 130 und ein in bezug auf Ventilstellung und Drosselrichtung kompensiertes Rate-Nachlauffilter 138. Das erstgenannte Filter 130 ist eine lag-lead-kompensierte Differenzierschaltung, die ein Signal abgibt, das sich im wesentlichen auf die momentane Änderungsgeschwindigkeit des Drosselstellungs-Sensorsignals bezogen ist. Der Hauptzweck der Differenzierschaltung bzw. des Filters 130 ist es, für ein augenblickliches Ansprechen des AGR-Ventils 22 zu sorgen. Das an zweiter Stelle genannte Filter 138 ist ein komplexeres Rate-Nachlauffilter. Es bestimmt ein geschätztes Drosselstellungs-Sensorsignal, welches dem tatsächlichen Drosselstellungs-Sensorsignal mit zeitlichem Nachlauf folgt, aber sich nur mit einer vorgegebenen maximalen Geschwindigkeit ändern kann. Der Ausgang des Filters 138 ist der Fehler zwischen 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 geschlossen) abhängig. Der Nachlauf geschieht nur in einer Richtung insoweit, als der Festraten-Nachlauf nur bei Drosselbewegungen angewandt wird, die eine Fahrzeugbeschleunigung bedeuten. Drosselbewegungen, die eine Fahrzeugverzögerung zur Folge haben, erzeugen ein geschätztes Drosselstellungs-Sensorsignal, 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 Ausgang 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 Drosselstellungsänderung zu. Somit schließt die Vergleichsschaltung 158 das AGR-Ventil 22 während ausreichend großer negativer Drosselübergänge.
In 5 sind mehrere durch die Steuerungsanlage 24 gemäß 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 Beschleunigung des Motors angibt). Die Wellenform 164 stellt den Ausgang der hysteretischen Vergleichsschaltung 158 dar. Die Wellenform 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 5 etwa 1 V beträgt. Die Wellenformen der 5 wurden an einem 130-kW-Cummins-Motor der Serie B erzeugt, der mit der Steuerungsanlage 24 gemäß 4 betrieben wurde.
Die erfindungsgemäße Steuerungsanlage wurde im Zusammenhang mit der Abgasrückführungssteuerung in einer Verbrennungskraftmaschine 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 Eingangssignals gesteuert werden sollen.

Claims

Steuerungsanlage (24) für die Abgasrückführung (AGR) einer Verbrennungskraftmaschine (10), insbesondere eines Kraftfahrzeugmotors, mit einem ersten Signalprozessor (30), der aus der Änderungsgeschwindigkeit eines einen Betriebsparameter darstellenden Eingangssignals ein erstes Signalprozessor-Ausgangssignal (36) zu erzeugen vermag, gekennzeichnet durch einen zweiten Signalprozessor (38), der ein Nachlaufsignal (50), das dem Eingangssignal zeitlich folgt und eine vorbestimmte maximale Änderungsgeschwindigkeit nicht übersteigt, und ein zweites Signalprozessor-Ausgangssignal (54) zu erzeugen vermag, das gleich der Differenz zwischen dem Eingangssignal und dem Nachlaufsignal (50) ist, durch einen Summierblock (56), der aus einer Summierung des ersten Signalprozessor-Ausgangssignals (36) und des zweiten Signalprozessor-Ausgangssignals (54) ein Anlagenausgangssignal erzeugt, und einen Ausgangsanschluss, der mit einem Abgasrückführungs-Ventil (22) betriebsmäßig verbunden ist und das Anlagenausgangssignal an das Abgasrückführungs-Ventil (22) abzugeben vermag.
Steuerungsanlage (24) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Signalprozessor (30) ein differenzierendes Filter (34) enthält.
Steuerungsanlage (24) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Signalprozessor (38) ein Festraten-Nachlauffilter ist.
Steuerungsanlage (24) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Signalprozessor (38) das Nachlaufsignal (50) mit dem Eingangssignal vergleicht und das Nachlaufsignal (50) um einen im voraus festgelegten ersten Betrag vergrößert, wenn es kleiner als das Eingangssignal ist, und das Nachlaufsignal (50) um einen im voraus festgelegten zweiten Betrag vermindert, wenn es größer als das Eingangssignal ist.
Steuerungsanlage (24) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Anlagenausgangssignal an eine hysteretische Vergleichsschaltung (58) gelegt wird.
Abgasrückführungs-Steuerungsanlage (24) für eine Verbrennungskraftmaschine (10), insbesondere einen Kraftfahrzeugmotor, mit einem Eingangsanschluss zum Empfangen eines einen Motorbetriebsparameter angebenden Eingangssignals und einem ersten Signalprozessor (130), der mit dem Eingangsanschluss verbunden ist und aus der Änderungsgeschwindigkeit des Eingangssignals ein erstes Signalprozessor-Ausgangssignal (136) erzeugt, gekennzeichnet durch einen zweiten Signalprozessor (138), der ein Nachlaufsignal, welches dem Eingangssignal zeitlich folgt und eine vorbestimmte maximale Änderungsgeschwindigkeit nicht übersteigt, und ein zweites Signalprozessor-Ausgangssignal (154), das gleich der Differenz zwischen dem Eingangssignal und dem Nachlaufsignal ist, erzeugt, einen Summierblock (156), der ein Anlagenausgangssignal aus der Summierung des ersten Signalprozessor-Ausgangssignals (136) und des zweiten Signalprozessor-Ausgangssignals (154) erzeugt, und einen Ausgangsanschluss, der mit einem Abgasrückführungs-Ventil (22) betriebsmäßig verbunden ist und das Anlagenausgangssignal an das Abgasrückführungs-Ventil (22) abzugeben vermag.
Abgasrückführungs-Steuerungsanlage (24) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingangssignal das Ausgangssignal eines Drosselstellungssensors (28) ist.
Abgasrückführungs-Steuerungsanlage (24) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Anlagenausgangssignal das Abgasrückführungsventil (22) öffnet bzw. schließt.
Abgasrückführungs-Steuerungsanlage (24) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Signalprozessor (130) ein differenzierendes Filter (134) aufweist.
Abgasrückführungs-Steuerungsanlage (24) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Signalprozessor (138) ein Festraten-Nachlauffilter aufweist.
Abgasrückführungs-Steuerungsanlage (24) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Anlagenausgangssignal dem Abgasrückführungs-Steuerventil (22) über eine hysteretische Vergleichsschaltung (158) zugeleitet wird.
Abgasrückführungs-Steuerungsanlage (24) nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Signalprozessor (138) das Nachlaufsignal mit dem Eingangssignal vergleicht, und das Nachlaufsignal um einen im voraus festgelegten ersten Betrag vergrößert, wenn es kleiner als das Eingangssignal ist, und das Nachlaufsignal um einen im voraus festgelegten zweiten Betrag verkleinert, wenn es größer als das Eingangssignal ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) mit Abgasrückführung, die umfasst: – einen Luftansaugweg (12), – einen Ausstoßweg (14), – wenigstens eine Brennkammer, die dem Luftansaugweg (12) und dem Ausstoßweg (14) in Verbindung stehen, – ein Abgasrückführungs-Steuerventil (22), das nach Wahl den Ausstoßweg (14) mit dem Luftansaugweg (12) zu verbinden vermag, – eine Steueranlage (24) für das Abgasrückführungs-Steuerventil (22) mit einem Eingangsanschluss zum Empfangen eines einen Maschinenbetriebsparameter angebenden Eingangssignals, und einem ersten Signalprozessor, der mit dem Eingangsanschluss verbunden ist und aus der Änderungsgeschwindigkeit des Eingangssignals ein erstes Signalprozessor-Ausgangssignal erzeugt, gekennzeichnet durch einen zweiten Signalprozessor, der ein Nachlaufsignal, das dem Eingangssignal zeitlich folgt und eine vorbestimmte maximale Änderungsgeschwindigkeit nicht übersteigt, und ein zweites Signalprozessor-Ausgangssignal, das gleich der Differenz zwischen dem Eingangssignal und dem Nachlaufsignal ist, erzeugt, einen Ausgangsanschluss, der mit dem ersten und dem zweiten Signalprozessor betriebsmäßig verbunden ist und ein Anlagenausgangssignal an das Abgasrückführungs-Ventil (22) zu legen vermag, und durch einen Summierblock (56), der das Anlagenausgangssignal aus einer Summierung des ersten Signalprozessor-Ausgangssignals und des zweiten Signalprozessor-Ausgangssignals erzeugt.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingangssignal das Ausgangssignal eines Drosselstellungssensors (28) ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Anlagenausgangssignal das Abgasrückführungs-Ventil (22) öffnet bzw. schließt.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Signalprozessor (30) ein differenzierendes Filter (34) aufweist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Signalprozessor (38) ein Festraten-Nachlauffilter aufweist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Anlagenausgangssignal dem Abgasrückführungs-Steuerventil (22) über eine hysteretische Vergleichsschaltung (58, 158) zugeleitet wird.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Signalprozessor (38) das Nachlaufsignal (50) mit dem Eingangssignal vergleicht und das Nachlaufsignal (50) um einen im voraus festgelegten ersten Betrag vergrößert, wenn es kleiner als das Eingangssignal ist, und das Nachlaufsignal (50) um einen im voraus festgelegten zweiten Betrag verkleinert, wenn es größer als das Eingangssignal ist.
Verfahren zum Steuern der Abgasrückführung (AGR) einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugmotors, mit den Schritten: a) Empfangen eines einen Betriebsparameter der Maschine wiedergebenden Eingangssignals, b) Generieren eines ersten Signalprozessor-Ausgangssignals (36) ausgehend von einer Änderungsgeschwindigkeit des Eingangssignals, c) Generieren eines Nachlaufsignals, das dem Eingangssignal zeitlich folgt und eine vorbestimmte maximale Änderungsgeschwindigkeit nicht übersteigt, d) Generieren eines zweiten Signalprozessor-Ausgangssignals (54), das gleich einer Differenz zwischen dem Eingangssignal und dem Nachlaufsignal (50) ist, e) Summieren des ersten und des zweiten Signalprozessor-Ausgangssignals (36) zum Erzeugen eines zusammengesetzten Ausgangssignals, und f) Anlegen des zusammengesetzten Ausgangssignals an die Verbrennungskraftmaschine (10).
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.
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 Eingangssignal ist, und (c.3) Verkleinern des Nachlaufsignals um einen im voraus festgelegten zweiten Betrag, wenn es größer als das Eingangssignal ist.
Verfahren zum Steuern eines Abgasrückführungs-Ventils an einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugmotors, mit den Schritten: a) Empfangen eines einen Motorbetriebsparameter angebenden Eingangssignals, b) Generieren eines ersten Signalprozessor-Ausgangssignals (36) ausgehend von einer Änderungsgeschwindigkeit des Eingangssignals, c) Generieren eines Nachlaufsignals (50), das dem Eingangssignal zeitlich folgt und eine vorbestimmte maximale Änderungsgeschwindigkeit nicht übersteigt, d) Generieren eines zweiten Signalprozessor-Ausgangssignals (54), das gleich eine Differenz zwischen dem Eingangssignal und dem Nachlaufsignal (50) ist, e) Summieren des ersten und des zweiten Signalprozessor-Ausgangssignals (54) zum Erzeugen eines zusammengesetzten Ausgangssignals (36, 54), und f) Anlegen des zusammengesetzten Ausgangssignals an das Abgasrückführungs-Ventil (22).
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (a) ein die Drosselstellung angebendes Eingangssignals empfangen wird.
Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet , dass im Schritt (f) das Abgasrückführungs-Ventil (22) abhängig vom Eingangssignal geöffnet bzw. geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem ersten Signalprozessor-Ausgangssignal (36) das Abgasrückführungs-Ventil (22) geschlossen und mit dem zweiten Signalprozessor-Ausgangssignal (54) bestimmt wird, wie lange das Abgasrückführungs-Ventil (22) geschlossen bleibt.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (b) die Schritte umfasst: (b.1) Tiefpassfiltern des Eingangssignals, und (b.2) Verstärken des gefilterten Eingangssignals.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (c) die Schritte umfasst: (c.1) Generieren eines Nachlaufsignals (50), (c.2) Vergrößern des Nachlaufsignals (50) um einen im voraus festgelegten ersten Betrag, wenn es kleiner als das Eingangssignal ist, und (c.3) Verkleinern des Nachlaufsignals (50) um einen im voraus festgelegten zweiten Betrag, wenn es größer als das Eingangssignal ist.