DE19615545C1 - Einrichtung zur Dieselmotorbetriebsregelung mit Abgasrückführung und Ansaugluftdrosselung - Google Patents

Einrichtung zur Dieselmotorbetriebsregelung mit Abgasrückführung und Ansaugluftdrosselung

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Regelung des Betriebs eines Dieselmotors mit Abgasrückführung und Ansaugluft­ drosselung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Einrichtungen dieser Art sind in vielerlei Varianten bekannt, wobei die Abgasrückführung und die Ansaugluftdrosselung übliche Abgasreinigungsmaßnahmen für Dieselmotoren darstellen. Sowohl bei aufgeladenen wie auch bei frei saugenden Dieselmotoren mit elektronischer Motorregelung werden Abgasrückführung und Ansaug­ luftdrosselung herkömmlicherweise in zwei voneinander unabhängi­ gen Regelkreisen angesteuert.
Die Abgasrückführung wird durch motorbetriebspunktabhängige An­ steuerung eines Abgasrückführ-Stellgliedes bewirkt, dessen Stel­ lung abhängig von Motordrehzahl, Motorlast oder Einspritzmenge, Kühlmitteltemperatur, Ladelufttemperatur und Atmosphärendruck auf einen entsprechenden Sollwert geregelt wird. Die Regelung der Abgasrückführrate, die das Verhältnis der rückgeführten Ab­ gasmenge zur Summe aus rückgeführter Abgasmenge und Frischluft­ menge darstellt, erfolgt im Motorsteuergerät herkömmlicherweise entweder indirekt in Form einer Hubregelung, bei der die Stel­ lung des Abgasrückführ-Stellgliedes als Regel- und Stellgröße dient, oder direkt, wobei dann der z. B. mittels eines Luft­ massenmessers gemessene Frischluftmassenstrom als Regelgröße und die Stellung des Abgasrückführ-Stellgliedes als Stellgröße die­ nen. Vereinfachend wird dabei bei gleichbleibendem Motorbe­ triebspunkt von einer konstanten Zylinderfüllung als Summe aus Frischluftmenge und Abgasrückführmenge ausgegangen.
In "Motronic Engine Management", Robert Bosch GmbH, 1994, S. 50 bis 53 ist eine Einrichtung zur Regelung des Betriebs einer Brennkraftmaschine mit einer derartigen Abgasrückführung sowie mit Mitteln zur Ansaugluftdrosselung offenbart, wobei diese Ein­ richtung einen Steuerkreis für die Abgasrückführung über ein Ab­ gasrückführ-Stellglied mit dem Frischluftmassenstrom als einer Eingangsgröße aufweist.
Die Ansaugluftdrosselung dient zur Erhöhung der Abgasrückführra­ te in Fällen, in denen sich auch bei vollständig geöffnetem Ab­ gasrückführ-Stellglied nicht die gewünschte Abgasrückführrate ergibt. Eine vermehrte Ansaugluftdrosselung bewirkt eine Erhö­ hung der Druckdifferenz zwischen Auspuffkrümmer und Saugrohr bzw. Ladeluftverteilerleitung und damit bei konstantem Öffnungs­ querschnitt am Abgasrückführ-Stellglied eine Steigerung der ma­ ximal erzielbaren Abgasrückführrate.
Beim aufgeladenen Dieselmotor erfolgt zusätzlich eine Ladedruck­ regelung. Bekannt ist diesbezüglich zum einen eine gemeinsame Regelstruktur für die Ansaugluftdrosselung und die beispielswei­ se über ein sogenanntes Wastegateventil bewirkte Ladedruckrege­ lung, wobei abhängig vom gewählten Saugrohrsolldruck, d. h. grö­ ßer oder kleiner als der Umgebungs- bzw. Referenzdruck, zwischen Ansaugluftdrosselung und Ladedruckregelung umgeschaltet wird. Bei dieser Vorgehensweise können alle drei Regelstrecken unab­ hängig voneinander optimiert werden, es müssen jedoch Sollwert­ kennfelder für alle drei Regelfunktionen definiert werden, und die Darstellung der für das Emissionsverhalten des Motors ent­ scheidenden Abgasrückführrate erfordert zwei voneinander unab­ hängige Sollwertkennfelder in Form eines Abgasrückführ- und ei­ nes Ansaugluftdrosselungs-Grundwertkennfeldes.
Ein herkömmliches Alternativverfahren besteht darin, die Abgas­ rückführung und die Ansaugluftdrosselung mittels eines gemeinsa­ men Stellgliedes, d. h. durch einen gemeinsamen Regelkreis, anzu­ steuern, und davon unabhängig die Ladedruckregelung durchzufüh­ ren. Bei der gemeinsamen Regelung der Abgasrückführung und An­ saugluftdrosselung wird von einem gemeinsamen Steller, z. B. ei­ nem elektropneumatischen Druckwandler, zunächst das Abgas­ rückführ-Stellglied geöffnet und dann, wenn das Abgasrückführ- Stellglied vollständig geöffnet und das Ansteuertastverhältnis weiter erhöht wird, die Ansaugluftdrosselklappe geschlossen. Dieses Verhalten kann über geeignete Kennlinien für die beiden Aktuatoren realisiert werden. Bei dieser Vorgehensweise ist zwar nur ein Regelkreis für die beiden Regelungsfunktionen erforder­ lich, jedoch ergibt sich die Schwierigkeit, daß beide beteilig­ ten Aktuatoren trotz ihres unterschiedlichen Übertragungsverhal­ tens in einer Regelstrecke abgebildet werden müssen. Die Regel­ größe ist von Bauteiltoleranzen beeinflußt, und Ladedruckrege­ lung einerseits sowie Drosselklappenanteuerung andererseits ar­ beiten unabhängig voneinander, was das Instationärverhalten nachteilig beeinflussen kann. Außerdem erfolgt im Arbeitsbereich der Ansaugluftdrosselung keine Regelung, sondern nur eine Steue­ rung des Saugrohrdrucks.
Einrichtungen der eingangs genannten Art sind auch in der Offen­ legungsschrift DE 42 14 880 A1 und in dem Zeitschriftenaufsatz E. Pauli und A. Amstutz, Regelstrategie des Comprex®-aufgelade­ nen Dieselmotors zur Emissionsminimierung, MTZ Motortechnische Zeitschrift 50, 1989, Seite 263 beschrieben.
Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung einer Einrichtung der eingangs genannten Art zugrunde, die eine vorteilhafte Funktionalität hinsichtlich Abgasrückführung und Ansaugluftdrosselung aufweist und flexibel applizierbar ist.
Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung einer Einrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Diese Einrichtung regelt die Abgasrückführrate in einer herkömmlichen Weise unter Verwendung des Frischluftmassenstroms als Regelgröße und sieht darüber hinaus für die Ansaugluftdrosselung die Vorgabe eines Saugrohrsolldruckwertes vor, der sich additiv aus einem motorbe­ triebspunktabhängig bestimmten Solldruckgrundwert und einem Solldruckzusatzwert zusammensetzt. Dieser Solldruckzusatzwert beschreibt in vorteilhafter Weise den Einfluß der Abgasrückführ­ regelung, indem er durch Multiplikation eines von der Motordreh­ zahl und der Frischluftmassenstrom-Regeldifferenz der Abgasrück­ führratenregelung abhängigen Zusatzrohwertes mit einem von der Stellung des Abgasrückführ-Stellgliedes abhängigen Faktor fest­ gelegt ist. Dies vereinfacht die Applikation merklich, da sich auf diese Weise die Ansaugluftdrosselung und gegebenenfalls die Ladedruckregelung in ihrem Verhalten automatisch auf geänderte Anlagendimensionierungen im Abgasrückführ-Regelkreis anpassen. Es ist daher beispielsweise bei Verwendung eines neuen Abgas­ rückführventils nicht erforderlich, irgendwelche Saugrohr­ solldruck-Kennfelder der Ansaugluftregelung bzw. Ladedruckrege­ lung zu ändern.
Bei Vorhandensein einer Ladedruckregelung realisiert diese Ein­ richtung eine gemeinsame Regelstruktur für die Ansaugluftdrosse­ lung und die Ladedruckregelung durch Vorgabe eines gemeinsamen Grundwertkennfeldes, in dem motorbetriebspunktabhängige Lade­ solldrücke vorgegeben werden. Die Einrichtung führt somit sowohl im Ansaugluftdrosselbetrieb als auch im Ladebetrieb eine Rege­ lung und nicht nur eine Steuerung des Saugrohrdrucks durch. Alle drei Regelstrecken, d. h. für die Abgasrückführung, die Ansaug­ luftdrosselung und die Ladedruckregelung, können optimal darge­ stellt werden. Die für das Emissionsverhalten entscheidende Ab­ gasrückführrate wird in nur einem Grundkennfeld für den Sollwert des Frischluftmassenstroms bestimmt.
Bei einer nach Anspruch 2 weitergebildeten Einrichtung ist vor­ gesehen, daß der die Stellung des Abgasrückführ-Stellgliedes repräsentierende, multiplikative Faktor im Bereich geringen Stellgliedöffnungsgrades auf null bleibt und erst ab einem vor­ gebbaren Schwellwert mit steigendem Öffnungsgrad bis auf den Wert eins ansteigt, wodurch mit steigendem Öffnungsgrad der Solldruckgrundwert für die Saugrohrdruckregelung zunehmend von dem Solldruckzusatzwert beeinflußt wird, der kennfeldabhängig von der Motordrehzahl und der Frischluftmassenstrom-Regel­ differenz festgelegt ist.
Bei einer nach Anspruch 3 weitergebildeten Einrichtung sind ein Minimaldruck-Kennfeld für den Saugrohrsolldruck und eine Maxi­ malauswahleinheit vorgesehen, die den größeren Wert des aus die­ sem Kennfeld resultierenden Solldruckwertes einerseits und des um den Solldruckzusatzwert korrigierten Solldruckgrundwertes an­ dererseits als maßgeblichen Saugrohrsolldruck auswählt. Damit läßt sich die Vorgabe von zu niedrigen Saugrohrsolldrücken ver­ hindern.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeich­ nungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm eines erfindungswesentlichen Teils ei­ ner Einrichtung zur Dieselmotorregelung mit Abgasrückfüh­ rung und Ansaugluftdrosselung und
Fig. 2 ein schematisches Blockdiagramm einer mit der Einrichtung von Fig. 1 regelbaren Dieselmotoranlage.
In Fig. 2 ist eine typische Dieselmotoranlage mit einem aufgela­ denen Dieselmotor (1) dargestellt, bei der eine Abgasrückfüh­ rung, eine Ansaugluftdrosselung und eine Ladedruckregelung vor­ gesehen sind. Der angesaugte Frischluftmassenstrom (mL) wird von einem Luftmassenmesser (2) gemessen und über einen Abgasturbola­ der (3) geführt, dessen andere Seite im Abgasstrang (4) liegt. Parallel zu dieser Turboladerseite ist im Abgasstrang (4) eine Umgehungsleitung (5) vorgesehen, in der sich ein sogenanntes Wastegateventil (6) befindet, mit dem die über den Abgasturbola­ der (3) geführte Abgasmenge und damit der vom Abgasturbolader (3) erzeugte Ladedruck regulierbar sind.
Der über den Abgasturbolader (3) geführte Frischluftmassenstrom (mL) passiert einen Ladeluftkühler (7), wonach seine Temperatur von einem zugehörigen Sensor (8) erfaßt wird. Der Frischluft­ massenstrom (mL) wird dann über eine Drosselklappe (9) geführt, die als Stellglied für die Ansaugluftdrosselung dient. Von dort gelangt er zu einem als Stellglied der Abgasrückführung dienen­ den Abgasrückführventil (10), zu dem andererseits ein Zweig (4a) des Abgasstrangs (4) geführt ist. Über das Abgasrückführventil (10) gelangt dann ein Frischluft/Abgas-Gemisch mit regelbarem Abgasanteil in den motornahen Saugrohrbereich, wo der dort herr­ schende Saugrohrdruck (P) von einem zugehörigen Drucksensor (11) erfaßt wird. Die zum Motor (1) führende Luftverteilervorrichtung (12) beinhaltet eine übliche Kanalabschaltung (13).
Der gezeigten Dieselmotoranlage von Fig. 2 sind nicht näher ge­ zeigte, weitere Motorregelungskomponenten herkömmlicher Bauart zugeordnet, insbesondere ein geeignetes Motorsteuergerät mit den zugehörigen peripheren Regelungskomponenten, um die Abgasrück­ führung, die Ansaugluftdrosselung und die Ladedruckregelung ge­ eignet vorzunehmen. Soweit in dieser damit realisierten Einrich­ tung zur Regelung des Betriebs des Dieselmotors (1) neuartige, erfindungswesentliche Regelungskomponenten und -maßnahmen ver­ wendet sind, sind diese in Fig. 1 dargestellt und werden nach­ folgend näher erläutert. Die Motorregelungseinrichtung führt ei­ ne Abgasrückführregelung auf diejenige herkömmliche Weise durch, bei der die Stellung des Abgasrückführventils (10) als Stellgrö­ ße und der im Luftmassenmesser (2) gemessene Frischluftmassen­ strom (mL) als Regelgröße dienen. Die jeweils einzustellende, für das Abgasemissionsverhalten des Motors (1) entscheidende Abgas­ rückführrate ist durch ein Frischluftmassenstrom-Kennfeld be­ stimmt, das den Sollwert (mLs) des Frischluftmassenstroms motor­ betriebspunktabhängig in Abhängigkeit von der Drehzahl (n), der Motorlast bzw. der Einspritzmenge, der Kühlmitteltemperatur, der vom zugehörigen Sensor (8) erfaßten Ladelufttemperatur und dem Atmosphärendruck vorgibt.
Für die Ansaugluftdrosselung und die Ladedruckregelung ist eine gemeinsame Regelstruktur vorgesehen, in der die Abgasrückführre­ gelung berücksichtigt wird und deren Komponenten in Fig. 1 de­ taillierter dargestellt sind. Für diese Regelstruktur beinhaltet die Motorregeleinrichtung zunächst ein der Ansaugluftdrosselung und Ladedruckregelung gemeinsames, abgespeichertes Grundwert­ kennfeld (14), mit der für die beiden Regelungsfunktionen ein gemeinsamer Saugrohr-Solldruckrohwert (PK) in Abhängigkeit von der Motordrehzahl (n) und der Motorlast (L) vorgegeben wird, welcher das Maß angibt, um das der Solldruck den Atmosphären­ druck, der als Referenzdruck (PR) dient, übersteigt. Eine an­ schließende Addition des dem Grundwertkennfeld (14) entnommenen Druckrohwertes (PK) mit dem Referenzdruck (PR) liefert damit ei­ nen Saugrohr-Solldruckgrundwert (PG), der einem der Grundwert­ kennfeldstufe (14) nachfolgenden, in Fig. 1 punktiert umrahmten Teil (15) der insgesamt in Fig. 1 dargestellten Einheit zuge­ führt wird, die zur Bestimmung des gemeinsam für die Ansaugluft­ drosselung und Ladedruckregelung Saugrohrsolldrucks (PS) dient.
Dieser Teil (15) der Regeleinrichtung beinhaltet zum einen ein abgespeichertes Kennfeld (16), das einen Saugrohr-Solldruck­ zusatzrohwert (dPR), der negatives Vorzeichen besitzt, in Abhän­ gigkeit von der Motordrehzahl (n) und der Frischluftmassenstrom- Regeldifferenz (dmL=mL-mLs) vorgibt, sowie zum anderen einen Kenn­ linienspeicher (17), in dem eine Kennlinie für einen zwischen null und eins liegenden Multiplikationsfaktor (F) in Abhängig­ keit vom Öffnungsquerschnitt (q) des Abgasrückführventils (10) abgelegt ist. Dieser Faktor(F) bleibt bei unterhalb eines vor­ gebbaren Schwellwertes (q₀) liegenden Werten des Öffnungsquer­ schnittes auf null und steigt mit über den Schwellwert (q₀) an­ wachsendem Öffnungsquerschnitt (q) linear bis zum Wert eins an. In einem Multiplizierer (18) wird der Solldruckzusatzrohwert (dPR) mit dem Multiplikationsfaktor (F) zur Erzeugung eines Saug­ rohr-Solldruckzusatzwertes (dP) multipliziert, der dann als ne­ gativer Wert zum zugeführten Saugrohr-Solldruckgrundwert (PG) ad­ diert wird. Der resultierende Wert wird einer Maximalauswahlein­ heit (19) zugeführt, der andererseits ein zulässiger Minimal­ solldruck (PM) zugeführt ist. Dieser zulässige Minimalsolldruck­ wert (PM) ist analog zum Saugrohr-Solldruckrohwert (PK) durch ein abgespeichertes Kennfeld (20) bestimmt, welches ihn in Abhängig­ keit von der Motordrehzahl (n) und der Motorlast (L) vorgibt. Dieses Kennfeld (20) ist so gewählt, daß der jeweilige Kennfeld­ wert den im betreffenden Motorbetriebspunkt mindestens einzuhal­ tenden Saugrohrsolldruck wiedergibt, mit dem verhindert wird, daß der Motor (1) in ungünstigen Arbeitspunkten mit unerwünscht niedrigem Saugrohrdruck betrieben wird. Die Maximalauswahlein­ heit (19) gewährleistet die Einhaltung dieses Mindestsolldrucks (PM), indem sie den größten der beiden ihr zugeführten Druckwerte als den für die Ansaugluftdrosselung und die Ladedruckregelung maßgeblichen Saugrohrsolldruck (PS) auswählt, der dann einem nachfolgenden Regler als entsprechende Führungsgröße dient.
Mit diesem in Fig. 1 veranschaulichten Regelungsteil der Motor­ regeleinrichtung für den Dieselmotor (1) wird eine vorteilhafte Berücksichtigung der Abgasrückführregelsituation (10) für die Ansaugluftdrosselung und die Ladedruckregelung realisiert. So­ lange das Abgasrückführventil (10) nicht zu weit geöffnet ist, d. h. solange sein Öffnungsquerschnitt unter dem Schwellwert (q₀) liegt, wird der kennfeldbasierte Saugrohr-Solldruckgrundwert (PG) unverändert als Saugrohrsolldruck (PS) herangezogen. Wenn das Ab­ gasrückführventil (10) hingegen immer weiter geöffnet wird und die Frischluftmassenstrom-Regeldifferenz (dmL) trotzdem nicht mehr auf null geregelt werden kann, was anzeigt, daß eine aus­ reichend hohe Abgasrückführrate in zunehmendem Maße nicht mehr allein durch Änderung des Öffnungsquerschnitts des Abgasrück­ führventils (10) erzielbar ist, wird vom kennfeldbasierten Saug­ rohr-Solldruckgrundwert (PG) ein entsprechend betraglich anstei­ gender Solldruckzusatzwert (dP) zur Gewinnung des Saugrohr­ solldrucks (PS) abgezogen. Diese von der Stellung des Abgas­ rückführventils (10) und der Frischluftmassenstrom-Regel­ differenz (dmL) abhängige Erniedrigung des Saugrohrsolldrucks (PS) hat zur Folge, daß die Ansaugluftdrosselung und die Lade­ druckregelung auf einen kleineren Saugrohrdruck (P) hinarbeiten, d. h. daß eine höhere Ansaugluftdrosselung und/oder ein geringe­ rer Ladedruck eingestellt werden, so daß sich bei gegebenem Öff­ nungsquerschnitt des Abgasrückführventils (10) eine Erhöhung der Abgasrückführrate erzielen läßt.
Die beschriebene Einrichtung zur Dieselmotorregelung bewirkt so­ mit eine automatische Anpassung der Ansaugluftdrosselung und der Ladedruckregelung an die Betriebssituation der Abgasrückführre­ gelung. Dies ermöglicht eine einfache Applikation der Einrich­ tung in unterschiedlichen Dieselmotoranlagen. Dabei können alle drei Regelungsfunktionalitäten optimal dargestellt werden, und es gibt keine gegenseitig negative Beeinflussung zwischen An­ saugluftdrosselung und Ladedruckregelung. Der Saugrohrdruck wird sowohl im Ansaugluftdrosselungsbetrieb als auch im Ladedruckre­ gelbetrieb geregelt und nicht nur gesteuert und kann folglich ständig überwacht werden. Die für das Abgasemissionsverhalten des Motors maßgebliche Abgasrückführrate ist durch ein einziges Kennfeld festgelegt, das den Sollwert des Frischluftmassenstroms motorbetriebspunktabhängig vorgibt.

Claims (4)

1. Einrichtung zur Regelung des Betriebs eines Dieselmotors (1) mit Abgasrückführung und Ansaugluftdrosselung, mit
  • - einem Regelkreis zur Regelung der Abgasrückführrate über ein Abgasrückführ-Stellglied (10) mit dem Frischluftmassenstrom (mL) als Regelgröße und
  • - einem Regelkreis zur Saugrohrdruckregelung mittels Ansaugluft­ drosselung,
gekennzeichnet durch
  • - eine Einheit (14, 15) zur Bestimmung des Saugrohrsolldrucks (PS) für die Ansaugluftdrosselung und gegebenenfalls eine Lade­ druckregelung derart, daß sich der Saugrohrsolldruck additiv aus einem motorbetriebspunktabhängig bestimmten Solldruckgrundwert (PG) und einem Solldruckzusatzwert (dP) zusammensetzt, der durch Multiplikation eines abhängig von der Motordrehzahl (n) und der Frischluftmassenstrom-Regeldifferenz (dmL) der Abgasrückführra­ tenregelung vorgegebenen Solldruckzusatzrohwertes (dPR) mit einem vom Öffnungsquerschnitt (q) des Abgasrückführ-Stellgliedes (10) abhängigen Faktor (F) festgelegt wird.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß der vom Öffnungsquerschnitt (q) des Abgasrückführ-Stellgliedes (10) abhängige Multiplikationsfaktor (F) im Bereich des Öff­ nungsquerschnittes (q) zwischen null und einem vorgebbaren Schwellwert (q₀) auf null gesetzt ist und im Bereich zwischen dem Schwellwert und dem maximalen Öffnungsquerschnitt stetig bis auf den Wert eins ansteigt.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, weiter gekennzeichnet durch
  • - eine Saugrohrminimaldruck-Kennfeldstufe (20) zur Vorgabe eines motorbetriebspunktabhängigen, minimal zulässigen Saugrohr-Mini­ malsolldrucks (PM) und
  • - eine Maximalauswahleinheit (19), der dieser Minimalsolldruck (PM) sowie der sich durch Addition des Saugrohr-Solldruck­ grundwertes (PG) mit dem Solldruckzusatzwert (dP) ergebende Druckwert zugeführt sind und die daraus den größeren der beiden Werte als den Saugrohrsolldruck (PS) für die Ansaugluftdrosselung und gegebenenfalls die Ladedruckregelung auswählt.
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