DE19638974C1 - Ladedruckregler für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Gezeigt wird ein Ladedruckregler für eine Brennkraftmaschine mit einer Regeleinrichtung, die bei der Regelung des Ladedrucks durch Einstellung eines den Ladedruck erzeugenden Turboladers zu einem die Ladedruckdifferenz zwischen dem tatsächlichen Ladedruck und dem gewünschten Ladedruck und zum anderen zumindest eine Störgröße berücksichtigt. Bei der Störgröße handelt es sich um eine bestimmbare Größe, wie beispielsweise die Kraftstoffmasse oder die Abgasrückführrate.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ladedruckregler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei herkömmlichen Ladedruckreglern wird der aktuelle Lade­ druck meßtechnisch erfaßt, der erfaßte Ladedruck mit einem gewünschten Ladedruck verglichen und der Ladedruck letztlich entsprechend der Ladedruckdifferenz derart geregelt, daß die Ladedruckdifferenz gegen Null geht.

Eine solche Regelung umfaßt den Nachteil, daß im instationä­ ren Zustand eine korrekte Regelung des Ladedrucks kaum mög­ lich ist, da sich bei einer Veränderung der Motorlast in der Regel nicht nur der Ladedruck ändert, sondern beispielsweise auch die Abgasrückführungsrate, die eingespritzte Kraftstoff­ masse pro Zeit, die Einspritzzeit, die Drehzahl und der Ein­ spritzbeginnwinkel. Diese Größen wirken dabei als Störgrößen für die Regelung des Ladedrucks. Entsprechend ihrer Natur, wirken sich diese Störgrößen zu unterschiedlichen Zeitpunkten nach einem Verlassen des stationären Betriebszustandes auf den Ladedruck aus, so daß die Regelung des Ladedrucks nach Verlassen des stationären Betriebszustandes über einen länge­ ren Zeitraum nur sehr ungenau vorgenommen werden kann. Diese Ungenauigkeiten bewirken, daß die Brennkraftmaschine im in­ stationären Zustand über einen längeren Zeitraum nicht das gewünschte Leistungsverhalten zeigt, was letztlich sogar den Fahrkomfort des mit der Brennkraftmaschine ausgestatteten Kraftfahrzeugs herabsetzt.

Aus der DE 34 38 175 A1 ist eine Regeleinrichtung bekannt, die einen ersten Regler hat, dessen Regelgröße der Ladedruck ist, die einen zweiten Regler hat, dessen Regelgröße die Luftmenge ist und die eine Vorsteuerung hat, deren Ausgangs­ signal abhängt von der Last und der Drehzahl. Die Regeleinrichtung erzeugt ein Stellsignal, das einen Abgasturbolader beeinflußt.

Aus der DE 44 02 618 A1 ist ein Verfahren und eine Messanord­ nung zur Überprüfung des Lambda-Regelkreises bei geregelten Abgaskatalysatoren bekannt. Eine Lambdasonde wird zu Prüfzwe­ cken an der Seite, die einem Abgaskanal abgewandt ist, mit einem Gas beaufschlagt, dessen Sauerstoffgehalt verschieden ist von der Umgebungsluft. Dadurch erhöht sich die Regelab­ weichung des Lambda-Reglers. Die Funktionsfähigkeit des Lamb­ da-Regelkreises wird abhängig von der Nachregelung des Regel­ kreises überprüft. Es wird demnach gezielt auf die Regelstre­ cke einer Störgröße aufgeschaltet und die dann entstehende Regelabweichung überprüft, um auf die Funktionsfähigkeit des Lambda-Regelkreises zu schließen. Die Störgröße wird dabei lediglich zu Prüfzwecken von außen auf das System zugeführt.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, den bekannten Ladedruckregler derart weiterzubilden, daß die Ein­ stellbarkeit des Ladedrucks insbesondere im instationären Be­ reich maßgeblich verbessert ist.

Diese Aufgabe wird durch einen Ladedruckregler mit den im Pa­ tentanspruch 1 angegebenen Merkmalen durch besonders vorteil­ hafte Art und Weise gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei­ spiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein vereinfachtes Modell der zu regelnden Strecke sowie der hierbei verwendeten herkömmlichen Rege­ lung,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel mit erfindungsgemäßen Lade­ druckregler,

Fig. 3 ein Beispiel für die Ermittlung der Übertragungs­ funktion eines Übertragungsgliedes für die Störgröße Kraftstoffmasse.

In der Fig. 1 ist mit 1 ein Abgaskrümmer beziehungsweise die Übertragungsfunktion des Abgaskrümmers, mit 2 eine Stellein­ richtung für den Ladedruck, mit 3 eine Turbine beziehungswei­ se die Übertragungsfunktion der Turbine, mit 4 ein Ansaug­ krümmer beziehungsweise die Übertragungsfunktion des Ansaug­ krümmers, mit 5 ein Regler für die Abgasrückführrate, mit 6 eine Stelleinrichtung für die Abgasrückführrate und mit 7 ein Regler für den Ladedruck bezeichnet. Ferner bezeichnet in der Fig. 1 z(mf) die Störgröße, egr_dif die Abgasrückführraten­ differenz, egr_soll den Abgasrückführratensollwert, pl_dif die Ladedruckdifferenz, pl_soll den Ladedrucksollwert bezie­ hungsweise den gewünschten Ladedruck, PL den Ladedruck und EGR die Abgasrückführrate.

Kernstück der in der Fig. 1 gezeigten Strecke, beziehungs­ weise das zu regelnde Objekt, ist der Turbolader, der die Stelleinrichtung 2 und die Turbine 3 umfaßt. Bei der Stell­ einrichtung 3 handelt es sich um eine Einrichtung, mittels der an der Turbine des Turboladers die Stellung von Rotorele­ menten verändert werden kann. Der Stelleinrichtung 2 des Tur­ boladers wird ein Stellsignal der Regeleinrichtung 7 zuge­ führt. Die Regeleinrichtung 7 bildet dieses Stellsignal aus der Ladedruckdifferenz pl_dif, die durch einen Vergleich des tatsächlichen Ladedrucks mit dem gewünschten Ladedruck pl_soll ermittelt wird. Vor dem Turbolader wird der Abgasdruck in dem Abgaskrümmer 1 aufgebaut, dem der Abgasmassen­ strom zugeführt wird. Der Abgasmassenstrom verringert sich aber entsprechend dem bei der Abgasrückführung rückgeführten Massenstrom sowie entsprechend der Störgröße z(mf). Die Stör­ größe z(mf) steht dabei stellvertretend für die Einspritz­ zeit, die Drehzahl, den Einspritzbeginnwinkel, den Luft­ massenstrom und die Kraftstoffmasse.

Entsprechend dem im Abgaskrümmer resultierenden Abgasdruck und der Einstellung der Stelleinrichtung 2, resultiert dann am Ausgang der Turbine 3 ein Ansaugmassenstrom, zu dem sich noch der Massenstrom der Abgasrückführung entsprechend der jeweiligen Abgasrückführrate addiert, so daß sich in dem An­ saugkrümmer 4 ein entsprechender Ladedruck aufbaut.

Der Massenstrom entsprechend der Abgasrückführrate bestimmt sich dabei nach dem der Stelleinrichtung 6 von der Regelein­ richtung 5 zugeführten Stellsignal und der Druckdifferenz zwischen dem Abgasdruck und dem Ladedruck. Das der Stellein­ richtung 6 von der Regeleinrichtung 5 zugeführte Stellsignal wird entsprechend der Abgasrückführratendifferenz egr_dif be­ stimmt, die sich aus einer Differenz zwischen der gewünschten Abgasrückführungsrate erg_soll und der tatsächlichen Abgas­ rückführrate ergibt, die aus dem Abgasrückführungsmassenstrom bestimmt wird.

In der Zeichnung nicht gezeigt ist eine Umsetzeinrichtung, die den physikalischen Massenstrom der Abgasrückführung in ein entsprechendes Signal umsetzt und eine Umsetzeinrichtung, die den physikalischen Ladedruck in ein entsprechendes Signal umsetzt.

Die in der Fig. 1 gezeigt Regelstrecke kann im stationären Zustand verhältnismäßig befriedigend mittels der Regelein­ richtung 7 geregelt werden. Im instationären Betrieb treten dabei Probleme auf. Dies liegt einerseits daran, daß sich der im instationären Betrieb ebenfalls verändernde Massenstrom der Abgasrückführung einerseits auf dem Ansaugmassenstrom und andererseits auf den Abgasmassenstrom auswirkt. Darüber hin­ aus wirkt sich auf den Abgasmassenstrom noch die bereits ge­ nannten Störgrößen aus, so daß ein geregelter Übergang zwi­ schen einem aktuellen und einem neuen Ladedruck kaum möglich ist. Vielmehr schwingt dabei der Wert für den Ladedruck nach Veränderung des selben zunächst um dem neuen Ladedruck, bis er sich schließlich nach einigen Zyklen auf den neuen Lade­ druck einstellt. Dabei tritt beim Überschwingen eine Turbi­ nenüberlastung und beim Unterschwingen eine vermehrte Rußbil­ dung auf. Gleichzeitig zeigt das mit der Brennkraftmaschine ausgestattete Fahrzeug selbstverständlich nicht das gewünsch­ te Fahrverhalten, was den Fahrer des Fahrzeuges unter Umstän­ den zu einer erneuten Veränderung der Pedalstellung veran­ laßt, wodurch sich der benötigte Ladedruck noch langsamer einstellen läßt.

Die Fig. 2 zeigt nun die bei der Erfindung verwendete Regel­ einrichtung. Diese umfaßt einen ersten Regler 10, ein erstes Übertragungsglied 11 und ein weiteres Übertragungsglied 12. Darüber hinaus umfaßt die Regeleinrichtung eine Mischeinrich­ tung 13 in Form eines Addierers, die die Ausgangssignale der Elemente 10, 11 und 12 in ein gemeinsames Stellsignal für die Stelleinrichtung 2 umsetzt.

Der erste Regler 10 erzeugt dabei ein erstes Stellsignal auf der Grundlage der Ladedruckdifferenz pl_dif. Dieser Regler kann weiterhin wie bereits aus dem Stand der Technik bekannt, als PI-Regler ausgeführt werden.

Das erste Übertragungsglied 11 erzeugt ein zweites Stellsi­ gnal auf der Grundlage der Kraftstoffmasse. Es ist als PDT1- Übertragungsglied ausgeführt. Wie die Übertragungsfunktion des ersten Übertragungsgliedes 11 für die Kraftstoffmasse be­ stimmt werden kann, wird nachfolgend noch anhand der Fig. 3 erläutert.

Das zweite Übertragungsglied 12 erzeugt ein drittes Stellsi­ gnal unter Berücksichtigung der gerade eingestellten Abgas­ rückführrate. Es ist als P-Übertragungsglied ausgeführt, wo­ bei für die Übertragungsfunktion des zweiten Übertragungs­ gliedes das selbe wie für das erste Übertragungsglied gilt.

In der Mischstufe 13 werden die jeweiligen Ausgangssignale des Reglers 10 und der Übertragungsglieder 11, 12 miteinander addiert und als gemeinsames Stellsignal ausgegeben.

In der Fig. 3 ist wie in der Fig. 2 mit 10 der erste Reg­ ler, mit 11 das erste Übertragungsglied und mit 13 die Misch­ stufe bezeichnet. Darüber hinaus ist mit 15 eine weiter ver­ einfachte Form der in Fig. 1 gezeigten Reglerstrecke und mit 16 eine Strecke für die Störung bezeichnet.

Die Übertragungsfunktion und die Parameter der Strecke 16 sind meßtechnisch erfaßbar. Sie charakterisieren, in welcher Form, das heißt mit welcher zeitlichen und mengenmäßigen Wir­ kung sich eine Veränderung der Kraftstoffmasse auf den Lade­ druck auswirkt. Die dabei übermittelte Übertragungsfunktion der Strecke für die Störung wird benötigt, um die Übertra­ gungsfunktion des ersten Übertragungsgliedes 11 zu bestimmen. Um den Einfluß einer Veränderung der Kraftstoffmasse auf den Ladedruck zu eliminieren, muß das erste Übertragungsglied 11 eine Übertragungsfunktion haben, die sich aus der Übertra­ gungsfunktion der zu regelnden Strecke und der Strecke für die Störung zusammensetzt. Konkret ergibt sich die Übertra­ gungsfunktion des ersten Übertragungsgliedes 11 aus einer Di­ vision der Übertragungsfunktion der Störung durch die Über­ tragungsfunktion der zu regelnden Strecke.

Hieraus läßt sich ableiten, daß die Übertragungsfunktion für das erste Übertragungsglied nicht in jedem Fall PDT1- Verhalten aufweisen muß, da sich die Übertragungsfunktion des ersten Übertragungsgliedes dadurch bestimmt, wie sich die je­ weilig auszuregelnde Störgröße auf den Ladedruck auswirkt.

Auch läßt sich die Übertragungsfunktion für das zweite Über­ tragungsglied noch genauer angeben, wenn als Übertragungs­ funktion für die zu regelnde Strecke 15 eine weniger verein­ fachte Übertragungsfunktion verwendet wird.

Sollen ferner bei der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung noch eine größere Anzahl von Störgrößen berücksichtigt werden, so ist für jede dieser Störgrößen zu ermitteln, mit welcher Übertragungsfunktion diese sich auf den Ladedruck auswirkt, und ein weiteres Übertragungsglied derart zu bestimmen, daß sich diese Störgröße im Ergebnis nicht auf den Ladedruck aus­ wirkt. Das Ausgangssignal dieser weiteren Übertragungsglieder ist wie das Ausgangssignal aller weiteren Übertragungsglieder für weitere Störgrößen ebenfalls der Mischstufe 13 zuzufüh­ ren.

Wird nun beim Übergang vom stationären in den instationären Betrieb der Brennkraftmaschine beispielsweise die Kraftstoff­ masse beim Beschleunigen erhöht, so wird durch das erste Übertragungsglied 11 der Einfluß der veränderten Kraftstoff­ masse bereits bei der entsprechenden Nachregelung des Lade­ drucks berücksichtigt. Auf diese Art und Weise kann eine sich verändernde Kraftstoffmasse kein Überschwingen des Regelwer­ tes für den Ladedruck hervorrufen. Aus diesem Grund ergibt sich bei Berücksichtigung der relevanten Störgrößen ein ver­ bessertes Regelverhalten für den Ladedruck.

Claims (4)

1. Regeleinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit einem La­ dedruckregler (10), dessen Regelgröße der Ladedruck ist und dessen Stellsignal einen Turbolader (2, 3) steuert, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Störgrößen-Aufschaltung hat, die das Stellsignal abhängig von dem Luftmassenstrom korrigiert.

2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine weitere Störgrößen-Aufschaltung hat, die das Stellsignal abhängig von der Abgasrückführrate korrigiert.

3. Regeleinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit einem La­ dedruckregler (10), dessen Regelgröße der Ladedruck ist und dessen Stellsignal einen Turbolader (2, 3) steuert, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Störgrößen-Aufschaltung hat, die das Stellsignal abhängig von der Abgasrückführrate korrigiert.

4. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mittels des Stellsignals im Turbolader die Stellung von Rotorelementen verändert wird.