DE19821902A1

DE19821902A1 - Verfahren zur Regelung des Ladedrucks

Info

Publication number: DE19821902A1
Application number: DE19821902A
Authority: DE
Inventors: Dirk Heinitz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-05-15
Filing date: 1998-05-15
Publication date: 1999-11-18

Abstract

Zur Regelung des Lagedrucks bei einer Brennkraftmaschine mit Abgas-Turbolader wird aus der Führungsgröße zur dynamischen Korrektur ein Korrekturwert für stationär vorgegebene Reglergrenzen des Ladedruckreglers berechnet. Dadurch werden die stationär festgelegten Reglergrenzen für instationäre Betriebszustände korrigiert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des Lade drucks bei einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei Brennkraftmaschinen, insbesondere bei Diesel-Brennkraft maschinen, die über einen Abgas-Turbolader verfügen, ist es aus verbrennungstechnischen Gesichtspunkten wünschenswert, für alle Betriebszustände der Brennkraftmaschine definierte Ladedrücke zur Verfügung zu stellen. Der Soll-Ladedruck ist dabei abhängig von der Last der Brennkraftmaschine, die bei spielsweise bei einer Diesel-Brennkraftmaschine wiederum von der in die Brennkraftmaschine eingespritzten Kraftstoffmenge abhängt. Bei einem Otto-Motor ist die angesaugte Luftmenge für die Last kennzeichnend.

Um einen bestimmten Soll-Ladedruck bereit zustellen, sind Re gel- oder Steuervorrichtungen bekannt. Dabei muß berücksich tigt werden, daß der vom Abgas-Turbolader erzeugte Ladedruck in der Regel vom Betriebspunkt, d. h. von Betriebsparameter wie z. B. der Drehzahl der Brennkraftmaschine abhängt. Eine mittlerweile bevorzugte Möglichkeit, den Ladedruck eines Ab gas-Turboladers zu beeinflussen, bieten Abgas-Turbolader mit variabler Turbinengeometrie (VTG). Die Steuerung des Lade drucks mit Hilfe der variablen Turbinengeometrie erfolgt da bei üblicherweise durch einen VTG-Steller, der durch Vorgabe einer Stellgröße lastabhängig von einem Ladedruckregler im Betriebssteuergerät der Brennkraftmaschine angesteuert wird. Dabei ist der Ladedruck nur in einem begrenzten Bereich vari ierbar. Deshalb muß der üblicherweise als PI-Regler ausge führte Ladedruckregler begrenzt werden, um bei Nichterreichen der stationären Genauigkeit ein ständiges Aufintegrieren des Reglers zu vermeiden. Da die eigentliche Regelgröße, d. h. der Ladedruck, den Bereich des Reglers nicht völlig ausschöpft, wäre es sinnvoll, den Regler weiter einzuschränken. Diese Einschränkung würde der Tatsache Rechnung tragen, daß außer halb gewisser Grenzen die Vorgabe einer Stellgröße keinen Einfluß mehr auf den Ladedruck hat. Bei einer derart starken Einschränkung wären jedoch Fehler, z. B. durch Exemplarstreu ungen des Abgas-Turboladers, nicht auszuschließen. Aus diesem Grund sind für solche Betriebszustandsänderungen kennfeldge steuerte, dynamische Begrenzungen des Ladedruckreglers be kannt, die jedoch aufwendig sind und nicht immer zu optimalen Ergebnissen führen. So ist es z. B. ein wesentliches Problem bei der Regelung des Abgas-Turboladers über den VTG-Steller, daß es bei einem durch eine Fahrzeugbeschleunigung bedingten Lastsprung zu unerwünschten Drucküberhöhungen kommt, welche durch den Ladedruckregler nicht kompensiert werden können.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfah ren zur Regelung des Ladedrucks bei einer Brennkraftmaschine mit Abgas-Turbolader anzugeben, das für instationäre Be triebszustände ein verbessertes Regelverhalten zeigt, ohne jedoch das Regelverhalten in stationären Betriebszuständen zu beeinträchtigen.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Hauptanspruchs ge löst.

Erfindungsgemäß wird aus der vorzugsweise die Last charakte risierenden Führungsgröße zur dynamischen Korrektur ein Kor rekturwert berechnet, mit dem mindestens eine der für statio näre Betriebszustände festgelegten Grenzen korrigiert wird. Dadurch wird eine kennfeldunabhängige dynamische Korrektur erreicht und eine kennfeldbeeinflußte Umschaltung zwischen stationären Grenzen und instationären Grenzen ist nicht not wendig. Vorteilhafterweise ist die Führungsgröße ein Betrieb sparameter der Brennkraftmaschine, z. B. die Einspritzmenge. Der Korrekturwert wird in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung aus der Führungsgröße von einem Übertragungsglied berechnet, das DT2- oder DT3-Struktur aufweist. Durch die dy namische Korrektur der Reglergrenze bzw. der Reglergrenzen werden nur bei einer Änderung der Führungsgröße die für sta tionäre Betriebszustände vorgegebenen Reglergrenzen verän dert. Im stationären Betrieb bleiben diese Reglergrenzen un verändert, die stationäre Betriebssicherheit ist also voll erhalten.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un teransprüchen gekennzeichnet.

Nachfolgend wird die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Brennkraftmaschine mit Abgas-Turbolader,

Fig. 2 ein Diagramm mit dem Zusammenhang zwischen Stell größe eines VTG-Stellers und Ladedruck,

Fig. 3 ein Diagramm mit dem Verlauf von Kenngrößen nach dem Stand der Technik,

Fig. 4 ein Blockschaltbild zur Berechnung der Korrektur aus der Einspritzmenge, und

Fig. 5 ein Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf von Kenn werten ähnlich dem der Fig. 3 für ein erfindungs gemäßes Verfahren.

Fig. 1 dient zur Erläuterung der Ladedruckregelung für eine Brennkraftmaschine 2. Der Betrieb der Brennkraftmaschine 2 wird von einem Betriebssteuergerät 3 gesteuert. Dem Betriebs steuergerät 3 wird unter anderem die Stellung eines Fahrpe dals 1 als Fahrerwunsch zugeführt. Daraus bestimmt das Be triebssteuergerät 3 die der Brennkraftmaschine 2 zuzumessende Kraftstoffmenge und steuert ein Kraftstoffzufuhrsystem 4 ent sprechend an. Das Kraftstoffzufuhrsystem 4 sorgt über nicht näher bezeichnete Leitungen für die Einspritzung des Kraft stoffes in die Brennkraftmaschine 2, die in diesem Fall eine Diesel-Brennkraftmaschine ist. Die Brennkraftmaschine 2 kann jedoch auch eine fremdgezündete Brennkraftmaschine sein. Da bei wären gemischansaugende und direkt einspritzende Benzin motoren denkbar.

Die Brennkraftmaschine 2 verfügt weiter über einen Abgas- Turbolader 6, der variable Turbinengeometrie hat. Diese va riable Turbinengeometrie ermöglicht es, den vom Abgas- Turbolader 6 an die Brennkraftmaschine 2 abgegebenen Lade druck mittels eines VTG-Stellers 5 innerhalb gewisser Grenzen zu variieren. Es sind im Rahmen der Erfindung aber auch ande re Ladedruckbeeinflussungen möglich, so z. B. durch ein geeig net ansteuerbares Ventil auf der Verdichterseite des Abgas- Turboladers. Zur Regelung des Ladedrucks ist ein Ladedruck regler 7 vorgesehen, der über nicht näher bezeichnete Leitun gen den Ladedruck mißt und den VTG-Steller 5 entsprechend an steuert. Der Ladedruckregler 7 ist in Fig. 1 als integraler Bestandteil des Betriebssteuergerätes 3 dargestellt, er kann jedoch auch ein eigenständiges Bauteil sein.

Der vom Abgas-Turbolader 6 erzeugte Ladedruck kann nur inner halb gewisser Grenzen über den VTG-Steller 5 beeinflußt wer den, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Dort ist auf der X-Achse die Stellgröße zum Ansteuern des VTG-Stellers und auf der Y-Achse der Ladedruck des Abgas-Turboladers 6 aufgetragen. Wie deutlich zu sehen ist, kann der Ladedruck unterhalb des Schwellwertes s1 bzw. oberhalb des Schwellwertes s2 kaum mehr durch Absenken bzw. Erhöhen der Stellgröße s beeinflußt wer den.

Dies hat bei Regelungen nach dem Stand der Technik ein unbe friedigendes Verhalten des Ladedruckreglers 7 zur Folge, wie in Fig. 3 gut zu erkennen ist. Dort ist in Fig. 3a der zeit liche Verlauf des Ausgangssignals des Ladedruckreglers 7 schematisch dargestellt. Der Ladedruckregler 7 versucht dann, auf den Sprung der Einspritzmenge zu reagieren, der in der oberen Kurve der Fig. 3b dargestellt ist. Wie zu sehen ist, gerät das Ausgangssignals des Ladedruckreglers 7 nach dem Sprung der Einspritzmenge zum Zeitpunkt t₀ sehr schnell an die obere statische Reglergrenze, die in diesem Fall auf 90% gesetzt ist, um - wie in der unteren Kurve der Fig. 3b zu se hen - den Solldruck anzuheben. Dabei wächst die Stellgröße s, mit der der VTG-Steller 5 angesteuert wird, jedoch über den in Fig. 2 dargestellten oberen Wert s2. Schwingt der Ist- Ladedruck, wie in Fig. 3b zu sehen, über den Sollwert, kann der Ladedruckregler 7 nicht schnell genug reagieren, da ein Absenken der Stellgröße s im Bereich oberhalb des Wertes s2 keine Änderung des Ladedrucks bewirkt. Insgesamt stellt sich somit im Stand der Technik ein Einschwingen des Ist- Ladedrucks auf den Soll-Ladedruck ein, das unbefriedigend lange dauert.

Erfindungsgemäß wird nun, wie in Fig. 4 dargestellt, die Ein spritzmenge mit einem DT3-Übertragungsglied in einen dynami schen Korrekturwert für die Reglergrenzen umgerechnet. Dieser Korrekturwert wird von der oberen statischen Reglergrenze ab gezogen und zur unteren statischen Reglergrenze hinzuaddiert, wie in der Fig. 5a zu sehen ist. Dies hat zur Folge, daß bei einem Sprung der Einspritzmenge zum Zeitpunkt t₀ in Fig. 5 der Regler die Stellgröße s nicht über den Wert s2 erhöht, wodurch er bei einer Überschreitung des Soll-Ladedruckes schnell reagieren kann. Als Folge kann der Ist-Ladedruck sehr viel genauer auf den Soll-Ladedruck geregelt werden, ein un erwünschtes Überschwingen ist stark vermindert. Dadurch er gibt sich ein deutlich besseres dynamisches Verhalten der La dedruckregelung, ohne unerwünschte Bereichseinschränkungen im stationären Betrieb in Kauf nehmen zu müssen. Der Korrektur wert ist im instationären Betrieb von einem Neutralwert ver schieden. Der Neutralwert kann zum Beispiel null sein, wenn die Reglergrenzen additiv korrigiert werden, oder eins sein, wenn die Reglergrenzen multiplikativ korrigiert werden.

Das DT3-Übertragungsglied verwirklicht folgende mathematische Struktur

wobei
p: Laplace-Operator,
T_1,2: Zeitkonstanten.

Es ist aber auch ein DT2-Übertragungsglied nach folgender Gleichung

oder ein anderes geeignetes Übertragungsglied denkbar.

Claims

1. Verfahren zur Regelung des Ladedrucks bei einer Brenn kraftmaschine mit Abgasturbolader, bei dem der Ladedruck ab hängig von mindestens einem als Führungsgröße dienenden Be triebsparameter geregelt wird, indem ein Ladedruckregler ab hängig von der Führungsgröße eine Stellgröße zum Einstellen des Ladedrucks in einem Regelbereich zwischen einer oberen und einer unteren Reglergrenze liefert, welche für stationäre Betriebszustände vorgegeben sind, dadurch gekennzeichnet, daß zum Einschränken des Regelbereichs bei instationären Be triebszuständen aus der Führungsgröße laufend ein Korrektur wert für mindestens eine der stationären Reglergrenzen be rechnet wird, der für instationäre Betriebszustände von einem Neutralwert verschieden ist und mit dem diese stationäre Grenze für instationäre Betriebszustände in eine dynamische Reglergrenze umgerechnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Dieselbrennkraftmaschine die Einspritzmenge als Führungsgröße dient.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß der Korrekturwert von einem Übertragungsglied aus der Führungsgröße berechnet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungsglied ein DT2-Glied ist.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungsglied ein DT3-Glied ist.

6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrekturwert von der oberen Grenze abgezogen und zur unteren Grenze hinzuaddiert wird.

7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß damit der Ladedruck eines Abgas- Turboladers mit variabler Turbinengeometrie geregelt wird, indem ein VTO-Schalter angesteuert wird, der die variable Turbinengeometrie verstellt.