DE3149097A1 - Einrichtung zum regeln der leerlaufdrehzahl bei einer brennkraftmaschine - Google Patents

Einrichtung zum regeln der leerlaufdrehzahl bei einer brennkraftmaschine

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DE3149097A1 DE19813149097 DE3149097A DE3149097A1 DE 3149097 A1 DE3149097 A1 DE 3149097A1 DE 19813149097 DE19813149097 DE 19813149097 DE 3149097 A DE3149097 A DE 3149097A DE 3149097 A1 DE3149097 A1 DE 3149097A1
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Wolfgang Dipl.-Ing. 7141 Möglingen Kosak
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    • F02D31/001—Electric control of rotation speed
    • F02D31/002—Electric control of rotation speed controlling air supply
    • F02D31/003—Electric control of rotation speed controlling air supply for idle speed control
    • F02D31/005—Electric control of rotation speed controlling air supply for idle speed control by controlling a throttle by-pass
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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Description

R. 17 3 3 5
26. TU 1981 Mü/Pi
. 3-
ROBERT BOSCH GMBH, TOOO STUTTGART 1
Einrichtung zum Regeln der Leerlaufdrehzahl bei einer Brennkraftmaschine
Stand der Technik
Der Leerlaufdrehzahlregelung bei Brennkraftmaschinen kommt im Hinblick auf die steigenden Energiepreise eine immer größere Bedeutung zu. Dies deshalb, weil aus Gründen des Kraftstoffverbrauchs die Leerlaufdrehzahl möglichst niedrig gewählt wird, jedoch eine gewisse Sicherheit im Hinblick auf ab- und zuschaltbare Verbraucher am Fahrzeug mit einkalkuliert werden muß. Gedacht ist hier insbesondere an Klimageräte oder das Schalten bei einem automatischen Getriebe, was mit einer Lastzunahme für die Brennkraftmaschine verbunden ist und bei einem zu geringen Sicherheitsabstand zur untersten möglichen Leerlaufdrehzahl die Gefahr des Absterbens der Brennkraftmaschine besteht.
Ein bekannter Leerlaufregler umfaßt parallel zur Drosselklappe einen im Querschnitt steuerbaren Byp&ßkanal. Die Ansteuerung erfolgt mittels eines PID-Reglers, dessen
"L^. 3U9097
• If-
Eingangsgrößen Signale bezüglich Drehzahl, Betätigung des Leerlaufschalters und der Temperatur sind. Gesteuert wird der Bypaßq.uerschnitt mittels eines getakteten Magnetventils .
Es hat sich nun im praktischen Betrieb gezeigt, daß mit ■ der bekannten Einrichtung noch keine optimale Problemlösung machbar ist im Hinblick auf Kraftstoffverbrauch und möglichst tiefen, jedoch sicher zu beherrschender Leerlaufdrehzahl.
Vorteile der Erfindung
Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs läßt sich die Leerlaufdrehzahl bis zu sehr tiefen Werten herunter sicher beherrschen und dies bei gleichzeitiger hoher Laufsicherheit der Brennkraftmaschine. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich in Verbindung mit den Unteransprüchen aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben und erläutert. Es zeigen Figur 1 ein grobes Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Einrichtung zum Regeln der Leerlaufdrehzahl bei einer Otto-Brennkraftmaschine, Figur 2 ein ausführliches Schaltbild der erfindungswesentlichen Teile des Gegenstandes von Figur 1 und Figur 3 eine Impulsdarstellung bezüglich einer speziellen Baugruppe von Figur 1 bzw. Figur 2.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Das Ausführungsbeispiel betrifft eine Einrichtung zum Regeln der Leerlauf drehzahl bei einer Brennkraftmaschine mit Fremdzündung. Bei der Regelung wird der Querschnitt eines Bypaßkanals zur Drosselklappe beeinflußt, wobei ein impulsweise angesteuertes elektromagnetisches Stellwerk Verwendung findet.
Die Brennkraftmaschine selbst ist mit 10 bezeichnet, ein Stellwerk für den Bypaßquersehnitt mit 11 und ein Drehzahlsensor mit 12. Hauptmerkmal der Regeleinrichtung nach Figur 1 ist ein PID-Regler 13 mit vorgeschalteter Unempfindlichkeitssteuerstufe 1U. Ein D-Regler 15 liegt parallel den Blöcken 13 und 1^ und mündet entweder in den PI-Regler 13 oder - verdeutlicht mittels eimer gestrichelt gezeichneten Linie 16 - in die Verbindungsleitung zwischen PI-Regler 13 und einer Endstufe 17» die daß Ansteuersignal für das Stellwerk 11 liefert. Begrenzungsstufen für minimale und maximale Öffnung des Bypaßquerschnittes sind mit 18 und 19 bezeichnet. Sie wirken ebenfalls ausgangsseitig auf den PI-Regler 13 ein. Eingangsseitig erhalten sie Signale von einer Schaltstufe-Sollwertschalter (Drive)--20 sowie von einer Temperatursignalauswertestufe 21. Die Begrenzungsstufe für die minimale Bypaßöffnung erhält zusätzlich ein Signa.l von einem Drosselklappenschalter 22 und von einer Drehzahlsignalumkehrstufe 23. Eine Sollwertstufe 2U liefert den Sollwert für den PI- und D-Regler. Eingangsseitig ist sie mit der Schaltstufe 20 und der Temperatursignalauswertestufe 21 verbunden.
Im einzelnen arbeitet der in Figur 1 dargestellte Gegenstand wie folgt:
Der Drehzahlistwert für die Regelung wird im Block 12 durch Umwandlung der Z und impulse in «im» 'lrf*hzuhl.proportionale
NAOHQEREICHTI
.1753 5
Spannung gewonnen.
Die Temperatursignalauswertestufe 21 bildet aus der von einem NTC angezeigten Kühlwassertemperatur^ eine temperaturabhängige Steuerspannung. Eine aus der stabilisierten Versorgungsspannung abgeleitete Referenzspannung wird in der Baugruppe Sollwertstufe 2k abhängig von Ausgangssignalen der Temperatursignalauswertestufe 21 und der Schältstufe 20 verändert und dem PI-Regler 13 und dem D-Regler 15 als Sollwert zugeführt.
Beim PI-Regler 13 läßt sich die Verstärkung des PI-Anteils durch die vorgeschaltete Unempfindlichkeitssteuerstufe 1U in zwei Bereiche umschalten. Die Verstärkungsfaktoren innerhalb und außerhalb des - frei wählbaren - Unempfindlichkeitsbereichs sind entsprechend dem jeweiligen Anwendungsfall gewählt. Der D-Regler 15 ist so ausgelegt, daß er lediglich im Bereich η » " η.. . ^f η
soll ist max
bei dn/dt ^O anspricht.
Der Regler vergleicht die Istdrehzahl mit der Solldrehzahl und stellt bei einer Abweichung über die Endstufe 17 den Öffnungeq_uerschnitt des Drosselklappenbypasses nach. Die dadurch bedingte Änderung der vom Motor angesaugten Luftmenge wird vom Luftmengenmesser erfaßt und die Drehzahl des Motors über das Einspritzmengensteuergerät entsprechend geändert. Der D-Regler 15 besitzt zusätzlich eine Ansprechschwelle, so daß er im normalen Regelbetrieb (n + 20 ... 50 U/min.) nicht gesetzt wird. Dies und die im Unempfindlichkeitsbereich (etwa η +80... 100 U/min.) herabgesetzte Verstärkung des PI-Reglers führen zu einer Verbesserung der Laufruhe der Brennkraftmaschine.
31
Extreme Laständerungen im Leerlaufbetrieb z.B. beim Einlegen von "drive" beim automatischen Getriebe oder beim Einschalten der Klimaanlage führen zu Drehzahlschwankungen über den Unempfindlichkeitsbereich hinaus. Das schnelle und sichere Ausregeln dieser Betriebszustände wird durch die erhöhte Verstärkung des PI-Reglers außerhalb des Unenipfindlichkeitsbereichs gewährleistet.
Die Minimal- und Maximalciuerschnitte des Drosselklappenbypasses sind abhängig von Betriebskenngrößen über die Blöcke 18 und 19 einstellbar. Dabei begrenzt die Maximalwertbegrenzungsstufe 19 beim Start durch Limitierung der Bypaßluftmenge die Drehzahl. Die Begrenzung erfolgt hauptsächlich bei Warmstart, d.h. der Motor ist betriebswarm. Ohne Begrenzung würde sich der gesamte Stellerquer-
schnitt a (^t*= 1) anstellen und die Drehzahl z.B. smax
auf 29OO U/min, steigen.
Tatsächlich wird nun *?" z.B. auf 0,7 begrenzts woraus
IUSLi)C
etwa η = 1 800 U/min, resultiert . Damit beim Kaltstart genügend an. Querschnitt zur Verfügung steht, ist die ^P* -Begrenzung temperaturabhängig, so daß z.B. bei - 30 C £* =1 eingestellt werden kann.
Eine entscheidende Bedeutung kommt der Minimalwert-Begrenzung ZUj da sie eine Doppelfunktion besitzt:
Sie dient als Auffanghilfe bei extremen Betriebsgedingungen, wie z.B. dem Rangieren im unteren Lastbereich und bei Lastsprüngen, in dem sie den Mindestquerschnitt des Bypasses beim Schließen der Drosselklappe er'hÄAt, beim Untätigen des Sollwerschalters (bei Schaltwechsel) erniedrigt und zusätzlich abhängig von Motortemperatur und Drehzahl steuert. Ferner erhöht sie im Fährbetrieb bis zu einer bestimmten Drehzahl9 gesteuert über die Dreh-
3 1 49GP97
zahlsignalumkehrstufe 23, die Bypaßluftmenge kontinuierlich. Dadurch, wird im Schiebebetrieb (Drosselklappe geschlossen, Drosselklappenbypaß teilweise geöffnet) einer Abmagerung des Luft-Kraftstoffgemisches entgegengearbeitet und auf diese Weise die Abgasemissionswerte (hauptsächlich HC-Spitzen) verbessert.
Einzelheiten des in Figur 1 als Blockschaltbild dargestellten Gegenstandes ergeben sich aus Figur 2. Mit Figur 1 übereinstimmende Baugruppen sind ebenfalls mit gleichen Bezugsziffern versehen. Der PI-Regler 13 umfaßt nach Figur 2 einen Operationsverstärker 30, der über eine Reihenschaltung von Kondensator 31 und Widerstand 32 gegengekoppelt ist. Der Minus-Eingang des Operationsverstärkers 30 steht über einen Widerstand 33 mit dem Ausgang der Unempfindlichkeitssteuerstufe 1U und zusätzlich unmittelbar mit der Minimalwertbegrenzungsstufe 18 sowie mit dem D-Glied 15 in Verbindung. Zum Plus-Eingang führt ein Drehzahlsollsignal von der Sollwertstufe 2k über einen Widerstand 36 und ferner das Ausgangssignal von der Maximalwertbegrenzungsstufe 19.
Die Unempfindlichkeitssteuerstufe 1h enthält zwei Operationsverstärker 38 und 39, deren Minus-Eingänge zusammengefaßt sind und den Ausgang dieser Stufe lU bilden. Die beiden Ausgänge der Operationsverstärker 38 und 39 sind über eine Reihenschaltung zweier Dioden Uo und Ui miteinander gekoppelt, deren Verbindungspunkt ebenfalls zum Ausgang geführt ist. Ein Drehzahlsignal gelangt vom Drehzahl-Spannungs-Wandler 12 über einen Widerstand U2 zum Plus-Eingang des Operationsverstärkers 38, über einen Widerstand U3 zum Verbindungspunkt der beiden Dioden UO und U1 und über einen Widerstand hk zum Plus-Eingang des Operationsverstärkers 39, der zusätzlich über einen Widerstand U5 an Masse liegt. Entsprechend erhallt der Cpera-
ionsverstärker 38 über einen Widerstand U6 Plusspannung zugeführt.
Das D-Glied umfaßt zwei jeweils über einen Widerstand hl und kB gegengekoppelte Verstärker k9 und 50.. Über einen Widerstand 51 gelangt zum Minus-Eingang des Verstärkers h$ ein Drehzahlistsignal und ausgangsseitig ist dieser Verstärker k9 über einen Kondensator 52 und einen Widerstand 53 mit dem Minus-Eingang des Ver-. stärkers 50 gekoppelt. Ein Drehzahlsollsignal erhält der Plus-Eingang des Verstärkers 1+9 unmittelbar und der Verstärker 50 über einen Widerstand 5^a wobei zusätzlich über einen Widerstand 55 dieser Plus-Eingang mit der Betriebsspannungsquelle verbindbar ist. Vom Ausgang des Verstärkers 50 führt eine Reihenschaltung von Diode 56 und Widerstand 57 zum Minus-Eingang des Operationsverstärkers 30 des PI-Reglers 13.
Hauptmerkmal der Minimal- und Maximalbegrenzungsstufe 18 und 19 ist jeweils ein kapazitiv gegengekoppelter Verstärker 60 und 61. Ein aus zwei Widerständen 62 und 63 bestehender Spannungsteiler zwischen den beiden Betriebsspannungsanschlüssen versorgt den Minus-Eingang des Verstärkers 60 und den Plus-Eingang des Verstärkers 61 mit gleichem Potential. Der Plus-Eingang des Verstärkers 60 erhält über einen Widerstand 65 ein Temperatursignal von der Temperatursignalauswertestufe 21, über einen Widerstand 66 ein Signal von der Schaltstufe 20, über einen Widerstand 67 ein Signal vom Drosselklappenschalter 22, über einen Widerstand 68 ein reziproges Drehzahlsignal und schließlich über einen Widerstand ein Plus-Signal. Ausgangsseitig steht der Verstärker über einen Widerstand 70 und eine Diode 71 mit dem Minus-Eingang des Operationsverstärkers 30 des PI-Reglers 13 in Verbindung.
Zum Minus-Eingang des Verstärkers 61 der Maximalwertbegrenzungsstufe 19 führt über einen Widerstand 73 ein Temperatursignal, über einen Widerstand T^ und einen Inverter 75 ein Signal vom Schalter 20 und schließlich über einen Widerstand 76 ein Plus-Spannungssignal. Ausgangsseitig ist der Verstärker 61 über einen Widerstand 77 und eine Diode 78 mit dem Plus-Eingang des Operations verstärkers 30 gekoppelt.
Den Ausgang der Schaltungsanordnung von Figur 2 bildet eine Klemme 80, die unmittelbar mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 30 des PI-Reglers 13 und ferner über je einen Widerstand 81 und 82 mit dem Plus- bzw. Minus-Eingang der Verstärker 6o und 61 in Verbindung steht.
Im einzelnen funktionieren die Schaltungseinheiten von Figur 2 wie folgt:
Die Unempfindlichkeitssteuerstufe 1h besteht aus zwei antiparallelgeschalteten idealen Dioden. Die untere Grenze des Unempfindlichkeitsbereichs wird durch den Spannungsteiler mit den Widerständen ^2 und k6 festgelegt. Die Obergrenze ist durch das Verhältnis der \«^. beiden Widerstände kh und U5 vorgegeben. Oberhalb (unterhalb) des Unempfindlichkeitsbereichs ist die Diode k 1 (k0) leitend. Dann ist der Widerstand h-3 ohne Funktion. Für den nachfolgenden PI-Regler 13 gilt außerhalb des Unempfindlichkeifsbereichs für den Proportionalanteil K = R 32/. R 33 und für die Zeitkonstante des Integralanteils
T = R 33 C 31 ο
Innerhalb des Unempfindlichkeitsbereichs sperren die beiden Dioden ko und.^1 und über den Widerstand k-3 geht
- J. ·■
β··· η ·
/M-
der Signalweg. In diesem Fall gilt für den Proportionalanteil sowie für die Zeitkonstante
K = R 32/ (R 33 + R 1(3); T= (R 33 + R 32) * C die Größe des Unempfindlichkeitsbereichs in U/min.ergibt sich aus der Steigung der Eingangskennlinie
s = ■" und dem dimensionierten Unempfindlichkeits-
hereich AUE : ^n=
Im einzelnen sind diese Verhältnisse in Figur 3 verdeutlicht. Dort zeigt Figur 3a das Ausgangssignal
der Unempfindlichkeitssteuerstufe 13 über der Drehzahl hier symmetrisch zu η Ί1 = 750 U/min, aufgetragen. Erkennbar ist ein mittlerer Bereich mit einer relativ flachen Steigung und zwar im Bereich zwischen 650 und 850 U/min. Diese Werte haben sich bei einem speziellen Brennkraftmaschinentyp als günstig erwiesen. Abweichungen nach dieser oder jenen Richtung sind
selbstverständlich bei anderen Brennkraftmaschinentypen möglich,, Erkennbar ist aus dieser Darstellung eine verstärkte Änderung des Ausgangssignals dieser Stufe 1k außerhalb des Unempfindliehkeitsbereichs,
was infolgedessen auch eine stärkere Entgegensteuerung der Abweichung mit sich bringt.
Figur 3b zeigt die Verhältnisse des Proportionalanteils des PI-Reglers 13 aufgetragen über Drehzahl und Figur 3c die Zeitkonstante des Integralreglers ebenfalls aufgetragen über der Drehzahl. Erkennbar ist ein Absinken der einzelnen Werte jeweils im Unempfindlichkeitsbereich.
Der PI-Regler 13 bildet zusammen mit dem D-Glied 15 einen konventionellen PI-Regler mit einem einseitig proportional auf den PI-Regler dynamisch einwirken-
. /fa·
den Verstärker. Dabei beeinflußt der D-Anteil nur bei fallender Drehzahl den PI-Regler, da Beschleunigungs- und Verzögerungsvorgänge im Zusammenhang mit dem Leerlaufregler unterschiedlich zu werten sind.
Im Regelbetrieb (Sollwert entspricht etwa dem Istwert) überträgt der Umkehrverstärker U9 die Welligkeit des Istdrehzahl-Spannungssignals auf das eigentliche D-Glied mit dem Verstärker 50, der dieses Signal mit dem Faktor V=R U8/R 53 verstärkt. Der Spannungsteiler mit den beiden Widerständen 5^ und 55 verleiht dem D-Anteil eine einstellbare Schwelle. Dadurch und durch die endliche Schwelle der Diode 56 bleibt eine geringe Pulsation im Drehzahlistsignal ohne Einfluß auf den PI-Regler 13.
Erst bei Änderungen, die oberhalb 100 U/min, liegen, spricht das D-Glied 15 an. Für den PI-Regler gilt dann in erster Nahrung:
K = R 32/R 57, T r;R 57 " C 31 ο ο
Die Erhöhung der Verstärkungsfaktoren beträgt etwa 10 bis 30, so daß der PI-Regler sehr schnell gegen seine Begrenzung (^max) läuft und den Drosselklappenbypaß öffnet.
Die Minimalwerbegrenzungsstufe 18 dient zur Begrenzung der unteren Ausgangsspannung des PI-Reglers 13. Im aktiven Zustand bildet der Verstärker 60 einen Additonsverstärker, dessen Mitkopplungszweig aus dem PI-Regler und dem Widerstand 81 gebildet wird. Um ein hochfrequentes Schalten des Verstärkers 60 im aktiven Zustand zu vermeiden, ist die kapazitive Gegenkopplung vorgesehen.
Die Begrenzung erfolgt, wenn die Regler-Ausgangsspannung unter einen bestimmten Wert fällt. In diesem Fall fällt die Ausgangsspannung des Verstärkers 60, die Diode 71
-y.
■ · ■ - /13-
leitet und über den Widerstand TO wird die Ausgangsspannung des Reglers 13 wieder erhöht. Daraufhin steigt die Spannung am Ausgang des Verstärkers 60 und die Diode 71 sperrt wieder. Die Folge ist ein oszillierendes Ausgangssignal am Ausgang des PI-Reglers in bestimmten Grenzen.
Damit die Minimalwertbegrenzung dynamisch schnell reagieren kann, wurden eine große Verstärkung Kp und eine kleine Verstellzeit Ti (analog dem D-Eingriff) gewählt: K= R 32/R TO, Ii = R TQ ' C 31.
Die einzelnen Signaleingangsgrößen über die Widerstände 65 bis 68 wirken im aktiven Zustand des Operationsververstärkers 60 additiv. Im passiven Fall ist die Summenspannung am Plus-Eingang des Verstärkers 60 größer als die entsprechende Spannung am Minus-Eingang, so daß das Ausgängssignal laufend auf hohem Potential liegt und die Diode 71 sperrt.
Das Ausgangssignal der Maximalwertbegrenzungsstufe 19 begrenzt die obere Ausgangsspannung des PI-Reglers 13. Im aktiven Zustand bildet der Verstärker 61 einen Additionsverstärker bzw. Integrator, dessen Mitkopplungszweig aus den PI-Regler 13 und dem Widerstand 82 gebildet wird. Der Kondensator im kapazitiven Gegenkopplungszweig des Verstärkers 61 verleiht der Anordnung einen I-Verhalten, wodurch ein hochfrequentes Schalten während der Begrenzung vermieden wird. Die Begrenzung selbst erfolgt hier mit umgekehrten Polaritäten entsprechend der Funktion der Minimalwertbegrenzungsstufe 18.
Leerseite

Claims (6)

  1. R. · ■
    26.11" ..198*1 "Μα/Pi ■
    ROBERT BOSCH GMBH,TOOO STUTTGART 1
    Ansprüche
    Einrichtung zum Regeln der Leerlauf drehzahl bei einer Brennkraftmaschine mit Sensoren für wenigstens Drehzahl und Temperatur, einem PI-Regler und nachfolgender Steuerstufe eines elektromagnetischen Stellwerks, dadurch gekennzeichnet, daß dem PI-Regler (13) eine Unempfindlichkeitssteuerstufe (1U) zugeordnet ist.
  2. 2. Einrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß im Unempfindlichkeitsbereich der P-Anteii und/oder der I-Anteil des PI-Reglers (13) abgesenkt ist.
  3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Unempfindlichkeitssteuerstufe (1U) mittels zweier antiparallelgeschalteter idealem Dioden realisiert ist.
  4. U. Einrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem PI-Regler (13) eine Minimal- und/oder Maximalwertbegrenzungsstufe (18, 19) zugeordnet ist, deren Schwellwerte betriebskenngrößenabhängig sind.
  5. 5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem PI-Regler eine als D-Glied wirkende Schaltungsanordnung (15) zugeordnet ist.
    3H9097
  6. 6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die als D-Glied wirkende Schaltungsanordnung (15) Schwellwertverhalten aufweist und einseitig wirkt.
    T. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die als D-Glied wirkende Schaltungsanordnung (15) im Sinne eines versteuernden Eingriffs in den I-Anteil des PI-Reglers (13) wirkt.
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