DE19732642A1 - Einrichtung zum Steuern einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Steuern einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine Einrichtung zum Steuern einer Brennkraftmaschine ist aus der DE 43 44 960 A1 bekannt. Die Brennkraftmaschine hat einen Ansaugtrakt mit einem Drucksensor, der einen Ladedruck er­ faßt, und mit einem Luftmassenmesser, der einen Luftmassen­ strom erfaßt. Eine Aufladeeinrichtung hat einen Verdichter, eine Turbine und ein Bypass-Ventil in einem Bypassrohr, das die Turbine umgeht. Ein Regler ist vorgesehen, dessen Regel­ größe der Ladedruck ist und dessen Stellgröße ein Signal zur Ansteuerung des Bypass-Ventils ist. Der Ladedruck verändert sich jedoch nur nach einer großen Verzögerungszeit nach einem Beeinflussen des Bypass-Ventils. Demnach hat der Regler gera­ de im instationären Betrieb der Brennkraftmaschine eine ge­ ringe Regelgüte.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zum Steu­ ern einer Brennkraftmaschine zu schaffen, die einen Ladedruck auch in einem instationären Betrieb der Brennkraftmaschine schnell und präzise einstellt.

Die Erfindung wird durch die Merkmale des unabhängigen Pa­ tentanspruchs I gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Er­ findung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung zeichnet sich aus durch eine Kaskaden- Regeleinrichtung mit einem ersten Regler, dessen Regelgröße der Ladedruck ist und dessen Stellgröße der Luftmassenstrom ist, und mit einem zweiten Regler, dessen Regelgröße der Luftmassenstrom ist und dessen Stellgröße auf ein Stellglied einwirkt, das einer Aufladeeinrichtung zugeordnet ist. Der zweite Regler regelt Abweichungen des Luftmassenstroms schnell aus, so daß die Regelabweichungen des ersten Reglers verringert werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Brennkraftmaschine mit einer Steuereinrichtung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform der Kaskaden-Regeleinrichtung,

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform der Kaskaden-Regeleinrichtung.

Eine Brennkraftmaschine (Fig. 1) umfaßt einen Ansaugtrakt 1 mit einem Verdichter 10 und einem Motorblock 2, der einen Zy­ linder 20 und eine Kurbelwelle 23 aufweist. Ein Kolben 21 und eine Pleuelstange 22 sind dem Zylinder 20 zugeordnet. Die Pleuelstange 22 ist mit dem Kolben 21 und der Kurbelwelle 23 verbunden.

Des weiteren ist ein Zylinderkopf 3 vorgesehen, in dem ein Ventiltrieb angeordnet ist mit mindestens einem Einlaßventil 30 und einem Auslaßventil 31. In den Zylinderkopf 3 ist fer­ ner ein Einspritzventil 33 eingebracht, das derart angeordnet ist, daß der Kraftstoff direkt in den Innenraum des Zylinders 20 zugemessen wird. Als Kraftstoff wird bevorzugt Diesel zu­ gemessen, alternativ kann jedoch auch Benzin zugemessen wer­ den. Wird als Kraftstoff Benzin verwendet, so ist zusätzlich eine Zündkerze in dem Zylinderkopf 3 angeordnet. Die Brenn­ kraftmaschine ist in der Fig. 1 mit einem Zylinder darge­ stellt. Sie kann jedoch auch mehrere Zylinder umfassen.

Die Brennkraftmaschine umfaßt desweiteren einen Abgastrakt mit einer Turbine 40, die mechanisch mit dem Verdichter 10 gekoppelt ist. Ein Bypassrohr 41 ist mit dem Abgastrakt strom­ aufwärts und stromabwärts der Turbine 40 verbunden. Ein Bypass-Ventil 42 ist in dem Bypassrohr 41 angeordnet. Statt des Bypassrohres mit dem Bypass-Ventil 42 kann auch ein Ver­ stellantrieb 43 vorgesehen sein, durch den die Geometrie der Turbine 40 verstellbar ist. Dabei werden beispielsweise die Schaufelräder der Turbine 40 verstellt. Der Verdichter 10 kann alternativ auch mechanisch mit der Kurbelwelle 23 gekop­ pelt sein. Statt der Turbine 40 und dem Bypassrohr 41 oder dem Verstellantrieb 43 ist dann eine Bypassleitung zu dem Verdich­ ter 10 vorgesehen, in der das Bypass-Ventil 42 angeordnet ist.

Eine Steuereinrichtung 5 für die Brennkraftmaschine ist vor­ gesehen, der Sensoren zugeordnet sind, die verschiedene Meß­ größen erfassen und die jeweils den Meßwert der Meßgröße er­ mitteln. Die Steuereinrichtung 5 ermittelt abhängig von min­ destens einer Meßgröße ein oder mehrere Stellsignale, die je­ weils ein Stellgerät steuern.

Die Sensoren sind ein Pedalstellungsgeber 61, der eine Pedal­ stellung PV eines Fahrpedals 6 erfaßt, ein Luftmassenmesser 12, der einen Luftmassenstrom erfaßt, ein Drucksensor 13, der einen Ladedruck erfaßt, ein Temperatursensor 14, der eine Ladelufttemperatur TAL erfaßt, ein Drehzahlgeber 24, der eine Drehzahl N der Kurbelwelle 23 erfaßt und einen weiteren Drucksensor 44, der den Abgasdruck in dem Abgastrakt 4 er­ faßt. Je nach Ausführungsform der Erfindung können eine be­ liebige Untermenge der genannten Sensoren oder auch zusätzli­ che Sensoren vorhanden sein.

Betriebsgrößen umfassen die Meßgrößen sowie von diesen abge­ leitete Größen, wie eine Abgastemperatur, die über einen Kennfeldzusammenhang oder von einem Beobachter ermittelt wer­ den.

Die Stellgeräte umfassen jeweils einen Stellantrieb und ein Stellglied. Der Stellantrieb ist ein elektromotorischer An­ trieb, ein elektromagnetischer Antrieb, mechanischer oder ein weiterer dem Fachmann bekannter Antrieb. Die Stellglieder sind als Einspritzventil 33, als das Bypass-Ventil 42 oder als der Verstellantrieb 43 zum Verstellen der Geometrie der Turbine ausgebildet.

Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise als elektronische No­ torsteuerung ausgebildet. Sie kann jedoch auch mehrere Steu­ ergeräte umfassen, die elektrisch leitend miteinander verbun­ den sind, so z. B. über ein Bussystem.

In Fig. 2 ist ein Blockschaltbild einer Kaskaden- Regeleinrichtung dargestellt, die in der Steuereinrichtung 5 angeordnet ist. In einem Block 50 wird ein Sollwert MAP_SP des Ladedrucks abhängig von dem Pedalwert PV der Drehzahl N und der Ladelufttemperatur TAL ermittelt. Dazu ist vorzugs­ weise ein Kennfeld vorgesehen, in dem Werte der Sollwerte MAP_SP abhängig von dem Pedalwert und/oder der Drehzahl N und/oder der Ladedrucktemperatur TAL abgespeichert sind.

Ein erster Regler 51 hat als Regelgröße den Ladedruck. Der erste Regler 51 ermittelt abhängig von der Differenz des Sollwertes NAP_SP und des Istwertes NAP_AV des Ladedrucks ei­ nen Sollwert MAF_SP des Luftmassenstroms. Der erste Regler 51 ist vorzugsweise als PI-Regler ausgebildet und ist somit ei­ nerseits schnell andererseits auch stationär genau.

Ein zweiter Regler 52 ist vorgesehen, dessen Regelgröße der Luftmassenstrom ist. Der zweite Regler 52 ermittelt abhängig von der Differenz des Sollwertes MAF_SP und des Istwertes MAF_AV des Luftmassenstroms einen Öffnungsgrad des Bypass- Ventils oder in einer anderen Ausführungsform einen Anstell­ winkel der Schaufeln der Turbine 40. Der zweite Regler 52 ist vorzugsweise als P- oder PD-Regler ausgebildet.

Ein Modulator 53 ist vorgesehen, der ein Spannungssignal U_PWN abhängig von dem Öffnungsgrad OG pulsweitenmoduliert.

Der Istwert NAF_AV des Luftmassenstroms ändert sich in einem instationären Betriebszustand zuerst schneller als der Ist­ wert MAP_AV des Ladedrucks. Der zweite Regler 52 kann somit bereits früher eine Regelabweichung ausregeln, so daß der er­ ste Regler nur noch eine geringere Regelabweichung ausregeln muß.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel (Fig. 3) ermittelt der zweite Regler 52 einen Sollwert BP-SP des Abgasdrucks. Die Regelgröße eines dritten Reglers 54 ist der Abgasdruck. Der dritte Regler 54 ermittelt den Öffnungsgrad OG des Bypass- Ventils oder einen Anstellwinkel der Schaufeln der Turbine 40 abhängig von der Differenz des Sollwertes BP_SP und des Ist­ wertes BP_AV des Abgasdrucks. Der dritte Regler ist vorzugs­ weise als P- oder PD-Regler ausgebildet. Die Kaskaden- Regeleinrichtung gemäß Fig. 3 gewährleistet eine besonders hohe Regelgüte, da der Abgasdruck unmittelbar die Leistung der Turbine 40 beeinflußt.

Kennfelder sind durch stationäre Messungen an einem Motor­ prüfstand oder durch Fahrversuche ermittelt.

Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausfüh­ rungsbeispiele beschränkt. Beispielsweise kann die Kaskaden- Regeleinrichtung auch noch weitere Regler umfassen. Die Para­ meter der Regler 51, 52, 54 können alternativ auch abhängig von der Drehzahl N sein. Hat die Brennkraftmaschine eine Auf­ ladeeinrichtung deren Verdichter mechanisch mit der Kurbel­ welle 23 gekoppelt ist, so ist die Regelgröße des zweiten oder dritten Reglers 52, 54 vorzugsweise die Drehzahl N.

Claims (8)

1. Einrichtung zum Steuern einer Brennkraftmaschine

• - mit einem Drucksensor (13) in einem Ansaugtrakt (1) zum Er­ fassen eines Ladedrucks,
• - mit einem Luftmassenmesser (12) zum Erfassen eines Luft­ massenstroms,
• - mit einer Aufladeeinrichtung, der ein Stellglied zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,
• - daß sie eine Kaskaden-Regeleinrichtung hat mit einem ersten Regler (51), dessen Regelgröße der Ladedruck ist und dessen Stellgröße der Luftmassenstrom ist, und mit einem zweiten Regler (52), dessen Regelgröße der Luftmassenstrom ist und dessen Stellgröße auf das Stellglied einwirkt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellgröße des zweiten Reglers (52) ein Abgasdruck ist und daß die Kaskaden-Regeleinrichtung einen dritten Regler (54) hat, dessen Regelgröße der Abgasdruck ist und dessen Stellgröße auf das Stellglied einwirkt.

3. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der erste Regler (51) ein Propor­ tional-Integral-Regler ist.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der zweite Regler (52) ein Propor­ tional-Regler ist.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Sollwert (MAP_SP) des Lade­ drucks abhängig von einer Pedalstellung (PV) eines Fahrpedals und der Drehzahl (N) ermittelt wird.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladedruck zusätzlich abhängig von der Ladelufttemperatur (TAL) ermittelt wird.

7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Stellglied ein Stellglied zur Variation der Geometrie einer Turbine in der Aufladeein­ richtung ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied am Bypass-Ventil (42) in einem Bypassrohr (41) ist.